CN105765841A - 用于预测性非连续充电模式控制的方法和功率变换器 - Google Patents

用于预测性非连续充电模式控制的方法和功率变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制功率变换器的功率级的方法，该功率变换器被配置为根据控制可切换功率级的控制律从输入电压生成输出电压。该方法包括：通过改变用于切换该功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度使得该脉冲宽度的平方是从基准电压与输出电压之间的差值得出的电压误差控制信号的函数，来生成脉冲控制信号。这是一种预测性充电模式控制的方法。该方法是针对非连续导通模式不需要补偿的调制方案。

Description

用于预测性非连续充电模式控制的方法和功率变换器
技术领域
本发明涉及一种用于预测性充电模式控制(predictivechargemodecontrol)的方法和功率变换器。
背景技术
切换的DC-DC变换器包括可切换功率级，其中，输出电压根据切换信号和输入电压而生成。在将输出电压调节为基准电压的控制电路中生成切换信号。在图1中示出了降压变换器(buckconverter)。切换的功率级11包括由高侧场效应晶体管(FET)12和低侧FET13组成的双开关、电感器14和电容器15。在充电阶段期间，通过切换信号使高侧FET12导通并且使低侧FET13截止，以对电容器15进行充电。在放电阶段期间，使高侧FET12截止并且使低侧FET13导通，以使平均电感电流与负载电流相匹配。切换信号被生成为具有由控制器16通过控制律确定的占空比的数字脉宽调制信号。
功率变换器可以在连续导通模式(CCM)或非连续导通模式下运行。(CCM)是指能量转移电感中的电流在切换周期之间基本上从来不会变为零，尽管该电流可能在从正电流转换为负电流或者从负电流转换为正电流时暂时经过零点。在DCM下，电流在切换周期的大部分期间变为零。在如图1所示的降压衍生变换器中，主要效果在于，当该降压衍生变换器从CCM变为DCM时，其从一种控制律变为另一种控制律。在升压和升降压衍生系统中，在CCM中存在右半平面零点，而这在DCM中是不存在的。这使得更加难以用良好的动态响应来稳定这些变换器。
因此DCM调节通常需要不同于CCM的补偿。因此，从非连续导通模式到连续导通模式的过渡需要对补偿的快速受控变化。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于功率变换器的功率级的控制方法，该方法改善了从非连续到连续导通模式的过渡，并且反之亦然。
通过根据独立方法权利要求的用于控制功率级的方法以及根据独立装置权利要求的功率变换器来实现该目的。从属权利要求涉及本发明的进一步的方面。
本发明涉及用于控制功率变换器的功率级的方法，该功率变换器被配置为根据控制可切换功率级的控制律从输入电压生成输出电压。该方法包括以下步骤：通过改变用于切换该功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度使得该脉冲控制信号的脉冲宽度的平方依赖于电压误差产生将在周期中传送的电荷，来生成脉冲控制信号，其中，将在周期中传送的该电荷取决于该电压误差和该脉冲宽度的平方。
因此，脉冲控制信号的脉冲宽度的平方依赖于电压误差而改变，以增加或减少将在周期中传送的电荷。电压误差是从基准电压和输出电压的差值得到的。脉冲控制信号可以是循环周期性的。
这是一种预测性的充电模式控制的方法。
过去对充电控制的尝试已经试图在传送电荷时对其进行测量。当所测量的电荷等于所需值时，脉冲终止。在本发明中，将被传送的电荷通过系统参数和程序化的脉冲宽度来预测。这简化了过程，因为不需要测量电荷，并且除了终止如由此技术所预测的脉冲的先验决定之外，也不需要关于终止脉冲作出快速决定。
该方法是针对非连续导通模式不需要补偿的调制方案。
因此，由于非连续导通模式不需要补偿，这就解除了对补偿中快速控制改变的需求。
具体而言，该方法可以包括生成脉冲控制信号，使得通过下面等式给出所得到的电荷Q，即，将在周期中传送的电荷：其中，Vin是输入电压，Vout是输出电压，L是可切换功率级的电感，以及tp是脉冲控制信号的脉冲宽度。
本领域技术人员将理解，上述等式是理想化的并且可以被扩展成考虑高阶效应和寄生元件。
当另外确定了稳态脉冲宽度tss时，该方法可以包括通过将稳态脉冲宽度tss增加附加的导通时间td来生成脉冲控制信号，使得通过下面等式给出周期中的附加的电荷Qd：
该方法可以进一步包括在生成脉冲控制信号之前确定稳态脉冲宽度tss。
本发明进一步涉及一种功率变换器，该功率变换器包括切换的功率级，该切换的功率级被配置为从输入电压生成输出电压，并且通过由控制器实施的控制律被控制，其中，该控制器被配置为通过改变用于切换该功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度使得脉冲控制信号的脉冲宽度的平方依赖于电压误差产生将在周期中传送的电荷，来生成脉冲控制信号，其中，将在周期中传送的电荷取决于电压误差和脉冲宽度的平方。
附图说明
将对附图进行参考，其中：
图1示出了现有技术的可切换降压变换器；
图2示出了在DCM下运行的可切换功率级的电感电流和脉冲宽度调制(PWM)切换信号的图；以及
图3示出了当另外确定了稳态占空比时可切换功率级的电感电流和脉冲宽度调制(PWM)切换信号的图。
具体实施方式
如图1所示的功率变换器在DCM下操作。作为预测性充电模式控制方法，控制器16生成用于切换可切换功率级的PWM控制信号，其中，脉冲控制信号被转发至高侧FET12，控制信号的互补信号被转发至低侧FET13。控制器16生成脉冲控制信号，使得通过下面等式给出PWM信号的周期中所得到的电容15的电荷Q：其中，在图2中示出了PWM信号的脉冲宽度tp对比所得到的电感电流。
图3涉及图1所示的功率变换器在另外确定了稳态脉冲宽度tss时的操作。控制器将PWM信号的稳态脉冲宽度tss增加如虚线所示的附加的导通时间td，使得通过下面等式给出周期中的附加的电荷Qd：
Q d = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t d [ 2 t s s - t d ] ≈ V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t d t s s .
在图3中也示出了对电感电流的效果。可以观察到，该电荷在周期中增加到与由电感电流的虚线和实线界定的面积成比例的程度。
由于在DCM下不需补偿，所以本发明减少了补偿所需的时间和精力。这改善了从DCM到CCM的过渡，并且因此得到了更加鲁棒的功率变换器。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器被配置为根据控制可切换功率级的控制律从输入电压生成输出电压，所述方法包括以下步骤：
通过充电模式控制确定将被传送的电荷；
通过依赖于电压误差经过以下步骤改变用于切换所述功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度的平方以增加或减少将在周期中传送的所述电荷，来生成所述脉冲控制信号：
预测何时终止所述脉冲控制信号的脉冲，使得所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度的平方依赖于所述电压误差产生将在所述周期中传送的所述电荷，其中，从基准电压与输出基准之间的差值得到所述电压误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲控制信号是周期性的。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括以下步骤：生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出得到的将在所述脉冲控制信号的周期中传送的电荷Q：
Q = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t p 2 ,
其中，Vin是所述输入电压，Vout是所述输出电压，L是所述可切换功率级的电感，以及tp是所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度。
4.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括以下步骤：
通过将稳态脉冲宽度tss增加附加的导通时间td来生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出将在所述脉冲控制信号的周期中传送的附加的电荷Qd：
Q d = V i n - V o u t L ( V i n V o u t ) t d t s s .
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在生成所述脉冲控制信号之前确定所述稳态脉冲宽度tss。
6.一种功率变换器，所述功率变换器包括切换的功率级，所述切换的功率级被配置为从输入电压生成输出电压，并且通过由控制器实施的控制律被控制，其中，所述控制器被配置为：通过充电模式控制确定将被传送的电荷；以及通过依赖于电压误差经过以下步骤改变用于切换所述功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度的平方以增加或减少将在周期中传送的所述电荷，来生成所述脉冲控制信号：
预测何时终止所述脉冲控制信号的脉冲，使得所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度的平方依赖于所述电压误差产生将在所述周期中传送的所述电荷，其中，从基准电压与输出基准之间的差值得到所述电压误差。
7.根据权利要求6所述的功率变换器，其中，所述脉冲控制信号是周期性的脉冲控制信号。
8.根据权利要求7所述的功率变换器，其中，所述控制器被进一步配置为生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出得到的将在所述脉冲控制信号的周期中传送的电荷Q：
Q d = V i n - V o u t L ( V i n V o u t ) t d t s s ,
其中，Vin是所述输入电压，Vout是所述输出电压，L是所述可切换功率级的电感，以及tp是所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度。
9.根据权利要求7所述的功率变换器，其中，所述控制器被配置为：通过将稳态脉冲宽度tss增加附加的导通时间td来生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出将在所述脉冲控制信号的周期中传送的附加的电荷Qd：
Q d = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t d t s s .
10.根据权利要求9所述的功率变换器，所述功率变换器还包括用于在生成所述脉冲控制信号之前确定所述稳态脉冲宽度tss的装置。

Claims (10)

1.一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器被配置为根据控制可切换功率级的控制律从输入电压生成输出电压，所述方法包括以下步骤：
通过改变用于切换所述功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度使得所述脉冲控制信号的脉冲宽度的平方依赖于电压误差产生将在周期中传送的电荷，来生成所述脉冲控制信号，其中，将在周期中传送的所述电荷取决于所述电压误差和所述脉冲宽度的平方。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲控制信号是周期性的。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括以下步骤：生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出在所述脉冲控制信号的周期中得到的所述可切换功率级的电容的电荷Q：
Q = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t p 2 ,
其中，Vin是所述输入电压，Vout是所述输出电压，L是所述可切换功率级的电感，以及tp是所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度。
4.根据权利要求2所述的方法，当另外确定了稳态脉冲宽度tss时，所述方法包括以下步骤：
通过将所述稳态脉冲宽度tss增加附加的导通时间td来生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出在所述脉冲控制信号的周期中所述可切换功率级的电容的附加的电荷Qd：
Q d = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t d t s s .
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在生成所述脉冲控制信号之前确定所述稳态脉冲宽度tss。
6.一种功率变换器，所述功率变换器包括切换的功率级，所述切换的功率级被配置为从输入电压生成输出电压，并且通过由控制器实施的控制律被控制，其中，所述控制器被配置为通过改变用于切换所述功率级的脉冲控制信号的脉冲宽度使得所述脉冲控制信号的脉冲宽度的平方依赖于电压误差产生将在周期中传送的电荷，来生成所述脉冲控制信号，其中，将在周期中传送的所述电荷取决于所述电压误差和所述脉冲宽度的平方。
7.根据权利要求6所述的功率变换器，其中，所述脉冲控制信号是周期性的脉冲控制信号。
8.根据权利要求7所述的功率变换器，其中，所述控制器被进一步配置为生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出在所述脉冲控制信号的周期中得到的所述可切换功率级的电容的电荷Q：
Q = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t p 2 ,
其中，Vin是所述输入电压，Vout是所述输出电压，L是所述可切换功率级的电感，以及tp是所述脉冲控制信号的所述脉冲宽度。
9.根据权利要求7所述的功率变换器，其中，所述控制器被配置为：当另外确定了稳态脉冲宽度tss时，通过将所述稳态脉冲宽度tss增加附加的导通时间td来生成所述脉冲控制信号，使得通过下面等式给出在所述脉冲控制信号的周期中的所述可切换功率级的电容的附加的电荷Qd：
Q d = V i n - V o u t 2 L ( V i n V o u t ) t d t s s .
10.根据权利要求9所述的功率变换器，所述功率变换器还包括用于在生成所述脉冲控制信号之前确定所述稳态脉冲宽度tss的装置。
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