CN105846659A - 用于改进功率变换系统中的负载瞬态响应的方法及系统 - Google Patents

用于改进功率变换系统中的负载瞬态响应的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本文中提供了用于改进功率变换系统中的负载瞬态响应的方法及系统。该系统包括：初级（102）和次级（104）；隔离屏障（106），使初级和次级电隔离；以及初级控制器（114），定位于初级中。初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压。负载电流信号从次级传输。

Description

用于改进功率变换系统中的负载瞬态响应的方法及系统
技术领域
本发明的领域通常涉及功率变换系统，并且更具体地，涉及改进功率变换系统中的负载瞬态响应。
背景技术
采用升压和降压变换器的体系结构或功率因数校正（PFC）电路及电感器-电感器-电容器（LLC）变换器的体系结构的整流器由于其灵活性、操作范围以及达到更高的总体效率的能力而普及。各变换器具有自身的控制器，典型地包括用于输出电压、输入电流的多个级联控制回路和外部升压电压回路。在快速的负载瞬态的期间，重要的是，跨电压范围协调所有的这些回路，以使输出电压波动最小化。
至少一些已知的整流器包括具有隔离的模拟及数字输入和输出，以跨大电压范围维持调节的单个控制器。这样的整流器需要更昂贵的数字控制器，并且，增加总零件数目及成本，这样的整流器往往缺乏适当的功率变换器操作所必需的响应时间。其他整流器使用实现要求更昂贵的控制器和/或更多的零件的更复杂的算法的抗扰方法。许多这样的方法还使输出控制更易受测量噪声影响。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种功率变换器，该功率变换器包括：隔离屏障，具有初级侧和次级侧；升压变换器，定位于初级侧；以及初级控制器，耦合至升压变换器，并且，定位于初级侧。升压变换器配置成调节输入电压，并且，生成直流（DC）升压电压。初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号而调整升压变换器基准电压。负载电流信号从隔离屏障的次级侧传输。
在另一实施例中，提供了一种方法，该方法包括使用隔离屏障来使功率变换系统的初级和次级电隔离。该方法还包括由定位于初级中的初级控制器基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压。负载电流信号从次级传输。
在又一实施例中，提供了一种功率变换系统，该功率变换系统包括：初级和次级；隔离屏障，使初级和次级电隔离；以及初级控制器，定位于初级中。初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压。负载电流信号从次级传输。
技术方案1：一种功率变换器，包括：
隔离屏障，具有初级侧和次级侧；
升压变换器，定位于所述初级侧，所述升压变换器配置成调节输入电压并生成直流（DC）升压电压；以及
初级控制器，定位于所述初级侧并耦合至所述升压变换器，所述初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压，从所述隔离屏障的次级侧传输所述负载电流信号。
技术方案2：如技术方案1所述的变换器，其中，所述升压变换器包括升压电路和功率因数校正（PFC）电路中的一个。
技术方案3：如技术方案1所述的变换器，进一步包括耦合至在所述次级侧的降压变换器的次级控制器，所述降压变换器耦合至所述升压变换器的输出，所述次级控制器配置成测量由所述降压变换器提供给负载的负载电流并将所述负载电流信号传输至所述初级控制器。
技术方案4：如技术方案3所述的变换器，进一步包括配置成实现跨所述隔离屏障的所述初级侧和所述次级侧之间的通信的光耦合器。
技术方案5：如技术方案1所述的变换器，进一步包括跨所述初级侧与所述次级侧之间的DC链路而耦合的DC电容器，其中，所述DC电容器还耦合至所述升压变换器的输出。
技术方案6：如技术方案5所述的变换器，其中，为了调整所述升压变换器基准电压，所述初级控制器进一步配置成瞬间地调整输入电流基准使得所述DC电容器的充电速率增加，以使所述功率变换器能够在所述负载瞬态的期间提供足够的功率。
技术方案7：如技术方案1所述的变换器，其中，所述初级控制器在所述负载瞬态的期间带宽增加，以增进所述初级控制器的响应时间。
技术方案8：一种方法，包括：
使用隔离屏障来使功率变换系统的初级和次级电隔离；以及
基于指示负载瞬态的负载电流信号来通过定位于所述初级中的初级控制器调整升压变换器基准电压，从所述次级传输所述负载电流信号。
技术方案9：如技术方案8所述的方法，进一步包括：
通过定位于所述次级中的次级控制器来测量由降压变换器提供给负载的负载电流；以及
将所述负载电流信号传输至所述初级控制器。
技术方案10：如技术方案9所述的方法，其中，将所述负载电流信号传输至所述初级控制器进一步包括经由光耦合器将所述负载电流信号跨所述隔离屏障而传输至所述初级控制器。
技术方案11：如技术方案9所述的方法，其中，将所述负载电流信号传输至所述初级控制器进一步包括连续地传输所述负载电流信号和在所测量到的负载电流的变化超过预定的阈值时传输所述负载电流信号中的一个。
技术方案12：如技术方案8所述的方法，其中，调整升压变换器基准电压进一步包括瞬间地调整输入电流基准使得所述DC电容器的充电速率增加，以使所述功率变换器能够在所述负载瞬态的期间提供足够的功率。
技术方案13：一种功率变换系统，包括：
初级和次级；
隔离屏障，使所述初级和所述次级电隔离；以及
初级控制器，定位于所述初级中，所述初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压，所述负载电流信号从所述次级传输。
技术方案14：如技术方案13所述的系统，进一步包括通信地耦合至所述初级中的所述初级控制器的升压变换器，所述升压变换器配置成调节输入电压并生成直流（DC）升压电压。
技术方案15：如技术方案14所述的系统，其中，所述升压变换器包括升压电路和功率因数校正（PFC）电路中的一个。
技术方案16：如技术方案14所述的系统，进一步包括：
降压变换器，定位于所述次级中，所述降压变换器配置成调节所述DC升压电压，以生成供负载使用的DC输出电压；以及
次级控制器，通信地耦合至所述降压变换器，所述次级控制器配置成测量由所述降压变换器提供给所述负载的负载电流并将所述负载电流信号传输至所述初级控制器。
技术方案17：如技术方案16所述的系统，其中，所述降压变换器包括降压变换器和电感器-电感器-电容器（LLC）变换器中的一个。
技术方案18：如技术方案14所述的系统，进一步包括配置成实现跨所述隔离屏障的所述初级与所述次级之间的通信的光耦合器。
技术方案19：如技术方案13所述的系统，进一步包括跨所述初级与所述次级之间的DC链路而耦合的DC电容器，其中，为了调整所述升压变换器基准电压，所述初级控制器进一步配置成瞬间地调整输入电流基准使得所述DC电容器的充电速率增加，以使所述功率变换器能够在所述负载瞬态的期间提供足够的功率。
技术方案20：如技术方案13所述的系统，其中，所述初级控制器在所述负载瞬态的期间带宽增加，以增进所述初级控制器的响应时间。
附图说明
图1是功率变换器的示范性的实施例的框图；
图2是示出负载瞬态的期间的图1中所示出的功率变换器的所选择的构件的电流和电压特性的图表；
图3是由图1中所示出的初级控制器实现的示范性的控制回路的框图。
具体实施例方式
图1是功率变换器100的示范性的实施例的框图。在示范性的实施例中，功率变换器100包括初级102和次级104。初级102由于包括变压器、电感器或电容器等的隔离屏障106而诸如通过电流隔离而与次级104电隔离地耦合。例如，初级102具有初级接地结构（未示出），并且，次级104具有次级接地结构（未示出）。隔离屏障106使初级接地结构与次级接地结构分离。隔离屏障106还在隔离屏障106的任一侧使输入电压Vin与输出电压Vout分离。在一些实施例中，隔离屏障包括至少一个光耦合器110，所述光耦合器110跨隔离屏障106将初级102和次级104通信地耦合。功率变换器100还可以包括跨初级102与次级104之间的DC链路而耦合的DC电容器C。
功率变换器100配置成接收输入电压Vin并提供输出电压Vout。在一个实施例中，功率变换器100是接收AC输入电压并生成DC输出电压的AC-DC变换器。备选地，功率变换器100可以是接收DC输入电压并将该DC输入电压变换成不同的DC输出电压的DC-DC变换器。在这样的实施例中，可以从配置成将AC输入电压变换成DC电压的DC电源、诸如整流器（未示出）接收DC输入电压。
在示范性的实施例中，初级102包括升压变换器112，所述升压变换器112耦合至初级102中的初级控制器114。升压变换器112或者是升压电路或者是功率因数校正（PFC）电路，并且，配置成调节输入电压Vin，以生成DC升压电压Vb。备选地，升压变换器112可以是使功率变换器100能够如本文中所描述的那样起作用的任何类型的变换器。初级控制器114耦合至用于跨隔离屏障106与次级104通信的光耦合器110。初级控制器114配置成基于跨隔离屏障106而从次级104接收到的控制信号来控制升压变换器112的操作。初级控制器114进一步配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压，其中，负载电流信号从隔离屏障106的次级104传输。
在示范性的实施例中，次级104包括降压变换器116和次级控制器118。降压变换器116包括降压变换器或LLC谐振变换器。备选地，降压变换器116可以是使功率变换器100能够如本文中所描述地那样起作用的任何类型的DC-DC变换器。降压变换器116配置成调节跨隔离屏障106从升压变换器112接收到的DC升压电压Vb，以将输出电压Vout提供给负载120。次级控制器118配置成控制降压变换器116，以将输出电压Vout和输出电流Io传递给负载120。次级控制器118还配置成对传递给负载120的输出电流Io连续地且迅速地进行采样，以监测负载瞬态。
次级控制器118配置成生成表示所测量到的负载电流Io的信号并传输该信号。在测量到瞬态时，或在测量到大于阈值的瞬态时，可以将所测量到的负载电流Io以预定的间隔连续地传输至初级控制器114。在示范性的实施例中，所测量到的负载电流信号Io通过次级控制器118使用脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）来传输。
在示范性的实施例中，初级控制器114和次级控制器118各自由处理器122实现，处理器122通信地耦合至存储器装置124，用于运行指令。在一些实施例中，可运行的指令存储于存储器装置124中。备选地，可以使用如本文中所描述的使控制器114和控制器118能够分别控制初级102和次级104的操作的任何电路来实现控制器114和控制器118。例如，在一些实施例中，控制器114和控制器118可以包括学习或预编程成确定与要求功率的负载120有关的信息的状态机。例如，控制器114和控制器118可以动态地确定将需要什么功率资源和那些功率资源将需要以什么性能水平和环境条件（例如，温度、湿度、时刻等）来操作。控制器114和控制器118可以执行动态监测，以确定是否所传递的功率满足给定的负载120以及所传递的功率是否无谐波、瞬变等。在一些实施例中，动态监测可以包括跟踪资源（resource）使用，以确定应当传递多少电流或电压。控制器114和控制器118还可以监测和/或控制快速性（即，带宽）和逆变器能力（例如，过载、无功功率、有功功率），以促进确保系统100的可靠性并且使性能退化最小化。
在示范性的实施例中，控制器114和控制器118通过对处理器122进行编程来执行本文中所描述的一个或多个操作。例如，可以通过将操作编码为一个或多个可运行的指令以及通过将可运行的指令设置在存储器装置124中来对处理器122进行编程。处理器122可以包括一个或多个处理单元（例如，在多核配置中）。此外，处理器122可以使用一个或多个异构处理器系统来实现，其中，主处理器与次级处理器一起存在于单个芯片上。作为另一说明性的示例，处理器122可以是包含相同类型的多个处理器的对称多处理器系统。此外，处理器122可以使用任何合适的可编程电路来实现，包括一个或更多个系统及微控制器、微处理器、精简指令集电路（RISC）、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）以及能够运行本文中所描述的功能的任何其他电路。在示范性的实施例中，如本文中所描述的，处理器122使控制器114和控制器118分别控制初级102和次级104的操作。
在示范性的实施例中，存储器装置124是使诸如可运行的指令和/或其他数据的信息能够被存储并检索的一个或多个装置。存储器装置124可以包括一个或多个计算机可读媒体，诸如但不限于动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、固态盘和/或硬盘。存储器装置124可以配置成存储（但不限于）应用源代码、应用对象代码、感兴趣的源代码部分、感兴趣的目标代码部分、配置数据、运行事件和/或任何其他类型的数据。
图2是示出负载瞬态的期间的功率变换器100（在图1中示出）的所选择的构件的电流和电压特性的图表200。在示范性的实施例中，次级控制器118使用PWM信号来将所测量到的负载电流信号Io的实际值传递至初级控制器114。初级控制器114接收所测量到的负载电流信号。因为跨隔离屏障106而传递，所以所测量到的负载电流信号以轻微的时延d1稳定地增加。
在备选的实施例中，次级控制器118可以传递微分信号，而不是传递所测量到的负载电流信号。在负载电流Io存在变化时，微分信号变为或者正或者负，而不是传递负载电流Io的实际值。更具体地，在负载电流出现大的变化时，次级控制器118将值1脉冲输送至初级控制器114。可以用定义什么时候指示负载瞬态的各种阈值对次级控制器118进行编程。例如，如果所测量到的电流变化低于预定义的阈值，则次级控制器118不传递微分信号。另外，或备选地，次级控制器118可以传输值1的双脉冲，而不是脉冲输送值-1。此外，次级控制器118可以仅脉冲输送指示瞬变开始的初始值1，并且，可以不脉冲输送值-1的任何表示。
图3是由初级控制器114（在图1中示出）实现的示范性的控制回路300的框图。初级控制器114包括用于调节升压电压Vb、电容器C两端的电压的控制回路300。初级控制器114包括目标电压作为输入。可以通过初级控制器114、传送至初级控制器114的外部信号、使用AC输入电压的峰值或从次级控制器118提供目标电压。初级控制器114还包括初级控制器114的输出处的基准电压。控制回路的基准电压使用仿形机构302来仿效目标电压。例如，如果目标电压作为阶跃而变化，那么，基准电压将作为倾斜变化或多项式而仿效目标电压。然后，初级控制器114通过在求和结点304从基准电压减去反馈电压而计算误差。升压电压控制器306使用所计算出的误差来操纵基准电压来输出升压电压Vb，以响应于负载电流Io的增加。在正常的稳态操作中，目标电压将上升或下降，并且，基准电压将通过斜升或斜降来仿效目标电压。
在示范性的实施例中，假设目标电压保持恒定，在检测到负载电流Io突然增加时，初级控制器114将阶跃变化引入基准电压中。更具体地，在接收到指示负载瞬态的信号时，初级控制器114就将仿真尖峰202引入基准电压中。备选地，可以将仿真尖峰202作为单独的信号而通过隔离屏障106来引入或通过通信线而引入。仿真尖峰202使另外的电荷在电容器C中累积，使得在负载120要求电流中的尖峰时，功率变换器100能够传递电流中的尖峰。如通过升压电压Vb的倾斜变化204所示出的，控制回路300迅速地响应于仿真尖峰202。
在一个实施例中，为了控制回路300更迅速地响应于仿真尖峰202，增加初级控制器114的带宽BWb。在稳态操作的期间，相对于瞬变的期间带宽BWb趋向于更低，这导致不管交变输入电压Vin和电流Iin如何，都减少负载电流Io中和输出电压Vo中的纹波。为了将输出维持得尽可能稳定来使纹波最小化，控制回路具有相对更低的稳态带宽BWb是正常的。在瞬变的期间，增加该带宽BWb，以尽可能迅速地增加电容器C中的电压，而不会必须担心纹波。结果，带宽BWb增加，初级控制器114非常迅速地响应，并且，电容器C将电流传递至负载120。
在示范性的实施例中，仿真尖峰202具有值德尔塔Δ。可以使用各种方法来确定Δ。例如，Δ可以基于电压在一段时间内相对于固定的目标电压或基准电压的增加量。Δ可以基于基准电压的百分比，或Δ可能由最大值和最小值定义，其中，负载120的需求的增加是未知的。Δ还可以是输出电流Io或输出功率的增加的函数。Δ可以跳至预定的值，该预定的值可以是AC输入电压Vin的函数。Δ可能基于输入电压Vin的峰值，或Δ可能与电容器C的最大额定电压有关。基于每个特定的功率变换器的具体应用来选择Δ。
可以在仿真尖峰202与升压电压Vb的斜降206之间设置预定的延迟d2。预定的延迟d2可以是固定的延迟，或者它可以基于输出功率、输出电流、输出电压、输入电压以及目标电压中的一个或多个。
在操作的期间，在示范性的实施例中，在负载阶跃时，初级控制器114通过将具有接近安全的最大值的Δ值的仿真尖峰202引入而增加升压基准电压，安全的最大值是峰值AC输入电压Vin。仿真尖峰202使升压变换器112增加其输出且迅速地使电容器C满溢。在一些实施例中，初级控制器114还在瞬变的期间增加其带宽BWb，以使电容器C更快地满溢。因为目标电压不变化，所以基准电压将倾斜变化回到目标值，使基准变化是暂时的。初级控制器114的带宽BWb还倾斜变化回到其稳态值，以传递最小的输出纹波。
在负载下降时，初级控制器114通过将具有接近安全的最小值的Δ值的仿真尖峰202引入来减小升压基准电压，安全的最小值是负的峰值AC输入电压Vin。初级控制器114还增加其带宽BWb。因为目标电压不变化，所以基准电压将倾斜变化回到目标值，使基准变化是暂时的。初级控制器114的带宽BWb还倾斜变化回到其稳态值，以传递最小的输出纹波。
本文中所描述的方法及系统的示范性的技术效果包括以下的至少一个：（a）使用隔离屏障来使功率变换系统的初级和次级电隔离；和（b）基于指示负载瞬态的负载电流信号来通过定位于初级中的初级控制器调整升压变换器基准电压，负载电流信号从次级传输。
本文中所描述的实施例促进改进功率变换器中的负载瞬态响应。初级控制器对由次级控制器越过隔离屏障而提供的负载电流测量进行监测。在负载电流的变化超过预定的阈值时，初级控制器调整升压输出电压基准以使DC链路电容器满溢，并且，增加有效电压来满足负载需求。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且，还允许本领域技术人员实施本发明，包括制作和使用任何装置或系以及执行任何合并的方法。本发明的专利范围由权利要求定义，并且，可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有并非与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质的差异的等效的结构元件，则这样的示例旨在权利要求的范围内。
附图标记说明
功率变换器 100
初级 102
次级 104
隔离屏障 106
光耦合器 110
升压变换器 112
初级控制器 114
降压变换器 116
次级控制器 118
负载 120
处理器 122
存储器装置 124
图表 200
仿真尖峰 202
倾斜变化 204
斜降 206
控制回路 300
仿形机构 302
求和结点 304
升压电压控制器 306

Claims (10)

1.一种功率变换器（100），包括：
隔离屏障（106），具有初级（102）侧和次级（104）侧；
升压变换器（112），定位于所述初级侧，所述升压变换器配置成调节输入电压并生成直流（DC）升压电压；以及
初级控制器（114），定位于所述初级侧并耦合至所述升压变换器，所述初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压，所述负载电流信号从所述隔离屏障的次级侧传输。
2.如权利要求1所述的变换器，其中，所述升压变换器（112）包括升压电路和功率因数校正（PFC）电路中的一个。
3.如权利要求1所述的变换器，进一步包括耦合至在所述次级（104）侧的降压变换器（116）的次级控制器（118），所述降压变换器耦合至所述升压变换器（112）的输出，所述次级控制器配置成测量由所述降压变换器提供给负载（120）的负载电流并将所述负载电流信号传输至所述初级控制器（114）。
4.如权利要求3所述的变换器，进一步包括配置成实现跨所述隔离屏障的所述初级（102）侧和所述次级（104）侧之间的通信的光耦合器（110）。
5.如权利要求1所述的变换器，进一步包括跨所述初级侧与所述次级（104）侧之间的DC链路而耦合的DC电容器，其中，所述DC电容器还耦合至所述升压变换器（112）的输出。
6.如权利要求5所述的变换器，其中，为了调整所述升压变换器（112）基准电压，所述初级（102）控制器进一步配置成瞬间地调整输入电流基准使得所述DC电容器的充电速率增加，以使所述功率变换器（100）能够在所述负载（120）瞬态的期间提供足够的功率。
7.一种功率变换系统，包括：
初级（102）和次级（104）；
隔离屏障（106），使所述初级和所述次级电隔离；以及
初级控制器（114），定位于所述初级中，所述初级控制器配置成基于指示负载瞬态的负载电流信号来调整升压变换器基准电压，所述负载电流信号从所述次级传输。
8.如权利要求7所述的系统，进一步包括通信地耦合至所述初级（102）中的所述初级控制器（114）的升压变换器（112），所述升压变换器配置成调节输入电压并生成直流（DC）升压电压。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括：
降压变换器（116），定位于所述次级（104）中，所述降压变换器配置成调节所述DC升压电压，以生成供负载（120）使用的DC输出电压；以及
次级控制器（118），通信地耦合至所述降压变换器，所述次级控制器配置成测量由所述降压变换器提供给所述负载的负载电流并将所述负载电流信号传输至所述初级控制器（114）。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述初级控制器（114）在所述负载瞬态的期间带宽增加，以增进所述初级控制器的响应时间。
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