CN107960142A - 用于处理电感器电流的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制功率转换器(100)的设备(1)，所述设备(1)包括：传感器模块(10)，其被配置为测量通过功率转换器(100)的电感器的电感器电流(i_L)；补偿模块(20)，其被配置为生成补偿波形(i_c)；以及操作模块(30)，其被配置为基于所述补偿波形(i_c)和所述电感器电流(i_L)来提供连续导电模式电流信号(i_CCM)，并且其被配置为基于所提供的连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)。
Description
技术领域
本发明涉及用于开关式电源中的电流控制的技术的领域。具体地，本发明涉及一种用于处理电感器电流的设备、一种功率转换器、一种用于X射线生成的高功率预调节器以及一种用于处理电感器电流的方法。
背景技术
开关式功率转换器通过周期性地存储和释放无功部件内的能量而执行功率转换。这种周期性地存储和释放能量的过程由功率开关来控制。最常见的功率转换器拓扑(如，例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、全桥转换器)将能量存储在电感器内，即，其以起源于流动通过电感器的绕组的电流的磁场来提供能量存储。
在能量存储阶段期间，电感器电流近似线性地增加，然而其在能量释放阶段期间也近似线性地减小。为了简化对这些转换器的设计和控制，电感器常常被设定尺寸为使得：在能量释放阶段的结束处，电感器电流仍然高于零。因此，结果，电感器始终不完全放电。这被称为连续导电模式CCM。
如果由负载消耗的功率下降，则电感器电流的平均值降低，并且因此电感器电流的最小值接近于零。在与单向电源开关(例如，二极管)合成的功率转换器中，电感器电流不能够反转。因此，如果电感器电流在能量释放阶段期间达到零，则由于为单向开关，其保持零直到开关再次被激活(能量存储阶段)。这被称为不连续导电模式DCM。
DE GUSSEME K等人：“Sample correction for digitally controlled boostPFC converters operating in both CCM and DCM”，APEC 2003.18TH.ANNUAL IEEEAPPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION.MIAMI BEACH,FL,FEB.9-13，2003；[ANNUAL APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE]，NEW YORK，NY：IEEE，US，2003年2月9日(2003-02-09)，第389-395页第1卷公开了在CCM和DCM两者中操作的数字控制的升压PFC转换器以及对由采样算法引起的输入电流失真的研究。导出校正因子以补偿输入电流样本上的误差。实验性地验证了理论结果。
发明内容
可能存在改进用于处理电感器电流的设备和方法的需求。
这些需求由独立权利要求的主题满足。根据从属权利要求以及下文的描述，另外的示范性实施例是明显的。
本发明的一方面涉及一种用于处理电感器电流的设备，所述设备包括：传感器模块，其被配置为测量通过功率转换器的电感器的电感器电流；补偿模块，其被配置为生成补偿波形；以及操作模块，其被配置为基于所述补偿波形和所述电感器电流的加和来提供连续导电模式电流信号，并且其被配置为基于所提供的连续导电模式电流信号来控制所述功率转换器。
本发明有利地提供了以下技术：通过针对所有模式使用连续导电模式电流波形，或者换言之通过使用类似CCM的波形而不管所述转换器操作的模式，简化了对电感器电流的任何处理以及对连续导电模式和不连续导电模式中的转换器的控制。
本发明有利地允许：处理电感器电流，并且基于其以如同转换器在连续导电模式中操作的非常相似的方式来控制在不连续导电模式中操作的转换器，这显著简化了连续导电模式与不连续导电模式之间的任何转换，并且反之亦然。
根据本发明的另外的第二方面，提供了一种功率转换器，所述功率转换器包括至少一个电感器以及根据本发明的第一方面或者根据本发明的第一方面的任何实施形式的设备。
根据本发明的另外的第三方面，提供了一种用于X射线生成的高功率预调节器，用于X射线生成的所述高功率预调节器包括至少一个根据本发明的第二方面或者根据本发明的第二方面的任何实施形式的功率转换器。
根据本发明的另外的第四方面，提供了一种用于处理电感器电流的方法，所述方法包括以下步骤：
a)测量通过功率转换器的电感器的电感器电流；
b)生成补偿波形；并且
c)基于所述补偿波形并且基于所述电感器电流来提供连续导电模式电流信号；并且
d)基于所述连续导电模式电流信号来控制所述功率转换器。
根据本发明的示范性实施例，所述设备可以包括多个补偿模块，并且所述功率转换器可以包括多个电感器。例如，所述设备可以包括与所述功率转换器所具有的电感器一样多的补偿模块。换言之，一个补偿模块被配置为生成被分配到来自所述功率转换器的所述多个电感器中的一个电感器的补偿波形。这有利地允许对所述功率转换器的经改进的控制。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为：基于所述连续导电模式电流信号，即基于类似CCM的电流信号，在连续导电模式中和/或在不连续导电模式中控制所述功率转换器。这有利地允许对所述功率转换器的经改进的控制，因为不管所述功率转换器的所述操作模式(要么为DCM要么为CCM)，针对CCM而设计的控制器能够被用于控制所述功率转换器。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为使用预定义开关频率来控制所述功率转换器。这有利地允许进一步改进所述补偿波形的所述生成。
在本发明中，所述操作模块被配置为在从连续导电模式到不连续导电模式的过渡期间和/或在从不连续导电模式到连续导电模式的过渡期间使所述连续导电模式电流信号的改变最小化。这有利地允许针对转换器控制而对所述电感器电流的经改进的处理。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为基于包括负波形值的所述类似CCM的电流波形来控制所述功率转换器。这有利地允许对所述电感器电流的经改进的处理。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为基于包括三角波形(即，三角类似CCM的波形)的连续导电模式电流信号来控制所述功率转换器。这有利地允许改进所述补偿波形的所述生成。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为在用于控制所述功率转换器的控制回路中使用所述连续导电模式电流信号。这有利地改进了对所述功率转换器的所述控制。
根据本发明的示范性实施例，所述操作模块被配置为使用比例控制器或积分控制器、或微分控制器、或比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器来提供所述控制回路。这有利地允许改进对所述功率转换器的所述控制。
执行本发明的方法的计算机程序可以被存储在计算机可读介质上。所述计算机可读介质可以是软盘、硬盘、CD、DVD、USB(通用串行总线)存储设备、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)和EPROM(可擦可编程只读存储器)。计算机可读介质也可以是数据通信网络，例如，因特网，其允许下载程序代码。
在本文中所描述的方法、系统和设备可以被实施为在数字信号处理器DSP中、在微控制器中或者在任何其他旁侧处理器(诸如在专用集成电路(ASIC)内的硬件电路)中的软件。
本发明能够被实施在数字电子电路中或被实施在计算机硬件、固件、软件或者其组合中，例如，被实施在设备的可用硬件中或被实施在专用于处理在本文中所描述的方法的新硬件中。
通过参考下文的示意性附图(其不是按比例的)，将更清楚地理解本发明的更完整的认识以及其伴随的优点。
附图说明
参考以下附图将在下文中描述本发明的示范性实施例：
图1示出了根据本发明的示范性实施例的在连续导电模式中和在不连续导电模式中的电感器电流的示意图；
图2示出了根据本发明的示范性实施例的具有双控制回路的开关式功率转换器的框图的示意图；
图3示出了根据本发明的示范性实施例的图示了在不连续导电模式中和在连续导电模式中的不同行为的通用三角波形的示意图；
图4示出了根据本发明的示范性实施例的根据原始电流波形和补偿波形来创建类似CCM的波形的示意图；
图5示出了根据本发明的示范性实施例的图示了在不连续导电模式和连续导电模式中以及在具有波形校正的不连续导电模式中的不同行为的通用三角波形的示意图；
图6示出了根据本发明的示范性实施例的补偿波形的计算的示意图；
图7示出了根据本发明的示范性实施例的根据电感器电流、所测量的斜率以及时间点的估计来构建补偿信号的示意图；
图8示出了根据本发明的示范性实施例的用于处理电感器电流的设备的示意图；
图9示出了根据本发明的示范性实施例的功率转换器的示意图；并且
图10示出了根据本发明的示范性实施例的用于处理电感器电流并且用于控制功率转换器的方法的流程图的示意图。
具体实施方式
在附图中的图示仅仅是示意性的并且并不意图提供比例关系或大小信息。在不同的附图或图形中，相似或相同的元件被提供有相同的附图标记。一般而言，相同的部件、单元、实体或步骤在说明书中被提供有相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的示范性实施例的在连续导电模式中和在不连续导电模式中的电感器电流的示意图。在图1中，箭头指示电感器电流绘图由于针对转换器的较轻的负载条件的改变。
根据本发明的示范性实施例，开关式功率转换器通过周期性地存储和释放无功部件内的能量来执行功率转换；该过程由功率开关来控制。不同的功率转换器拓扑(例如，降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器或全桥转换器)将能量存储在电感器内。
根据本发明的示范性实施例，在能量存储阶段期间，所述电感器电流近似线性地增加，然而其在能量释放阶段期间也近似线性地减小。为了简化这些转换器的设计和控制，所述电感器常常被设定尺寸为使得：在能量释放阶段的结束处，电感器电流仍然高于零；所述电感器因此始终不完全放电，即，连续导电模式CCM，如在图1中所示的。
在CCM中，电感器电流中的峰峰纹波电压由输入和输出电压以及电感值来确定(负载独立的)，而平均电流由输出电压和负载来确定(独立于电感值)。应当注意，电感器电流iL中的峰峰纹波的这种确定仅仅是范例；在其他拓扑中，相关性可以是不同的。
开关式功率转换器通常被要求在特定的功率范围内而不是仅在一个操作点中恰当地操作。该范围常常包括非常轻的负载或者甚至根本没有负载。由于负载确定了平均电流，因而降低负载电流降低了平均电感器电流。当负载变得足够轻使得平均电流小于峰峰电流纹波的一半时，电感器电流局部反转，即，变为负的。
根据本发明的示范性实施例，在与单向功率开关(诸如二极管)合成的功率转换器中，电感器电流不能反转。相反，一旦电流变为零，其保持为零直到开关再次被激活，即，不连续导电模式DCM，如在图1中所示的。这种不同的行为导致了与CCM中的那些行为不同的动力学。在DCM中，由于是单向开关，因而电流不能够是负的，并且因此其保持为零。转换器大多数被设计为在CCM中操作，因为在该模式中，功率转换器的动力学是负载独立的。然而，在DCM中，动力学却取决于负载，这使控制设计更困难。规格常常要求重、中和轻并且甚至没有负载的情况下操作，因此CCM与DCM之间的转换必须小心处理以便保证DCM中的转换器的稳定性和恰当的操作。在图1中，电感器电流iL被绘制为针对两种不同的模式随时间t的函数。
图2示出了根据本发明的示范性实施例的具有双控制回路的开关式功率转换器的框图的示意图。
存在用于设计针对功率转换器的控制回路的若干种不同的技术。经典的控制技术(例如，脉冲宽度调制(PWM)或脉冲持续时间调制(PDM))常常包括用于增强型转换器稳定性和带宽的电流控制回路，如在图2中所示的。
根据本发明的示范性实施例，外(慢)控制回路(即，电压控制)生成用于内(快)控制回路(即，电流控制)的参考，其继而生成最后被供应到调制器的占空比D。所述内控制回路由虚线可视化。所述调制器基于占空比D生成双水平开关信号；该双水平开关信号直接地控制功率开关。
术语“慢控制回路”和“快控制回路”可以指代相应的控制回路的时间常量。例如，慢控制回路的时间常量是快控制回路的时间常量的两倍。
图2示出了具有双控制回路的开关式功率转换器的框图。Cv(s)和Ci(s)代表补偿器(分别为电压和电流)，并且Gv(s)和Gi(s)代表转换器的传递函数(分别为控制输出电压和控制电感器电流)。
此外，在图2中，iL表示电感器电流，Vref表示参考电压，VO表示输出电压，并且IL_ref表示参考电感器电流。
图3示出了根据本发明的示范性实施例的图示了在不连续导电模式中和在连续导电模式中的不同行为的通用三角波形的示意图。
针对CCM操作而设计的电流控制回路倾向于使其性能显著地下降或者甚至当转换器进入DCM时变得不稳定。让我们更详细地分析DCM对电流波形的影响。
根据本发明的示范性实施例，函数f(x)可以是具有平均值零和2a的峰峰幅度的三角波形。针对所有k整数而言，该函数是c周期性的f(x+c*k)＝f(x)，如在图3中所示的。函数g(x)可以被定义为g(x)＝b+f(x)，其中，b是实值。g(x)的平均值能够被定义为：
如果b>a，则g(x)总是正的，并且因此b＝d，如在图3中所示的。该波形对应于在CCM中操作的电感器。当b<a时，g(x)变为局部负的。如果g(x)不限于是负的(如在DCM中操作的转换器中)，则g(x)局部饱和到零。因此，b和d不同。当b等于-a时，那么d达到零，即，根本未生成信号。
根据本发明的示范性实施例，提供了通过生成类似CCM的波形来简化对DCM中的转换器的控制的技术。这允许以如同转换器在CCM中操作的非常相似的方式来控制在DCM中操作的转换器，其从控制的观点显著简化了CCM与DCM之间的转换。
图4示出了根据本发明的示范性实施例的根据原始电流和补偿波形来创建类似CCM的波形的示意图。随时间t绘制了如在图4中所示的所有波形。
图4示出了根据原始电流i_L和补偿波形i_c来创建补偿电流icomp(t)。
补偿模块20可以被配置为测量电感器电流i_L并且生成补偿波形i_c。这两个波形然后被组合在一起以生成类似CCM的波形icomp(t)，如在图4中所示的。所述类似CCM的波形然后可以被用作控制回路中的电感器电流，如在规则操作中。
该扩展改变了所测量的电流的值。当然，如果将该校正应用到在图3中所描绘的示范性波形，则当b<a(即，DCM)时，信号d(平均值)变为负的。这在图5中(虚线)被图示出。
图5示出了根据本发明的示范性实施例的图示了在不连续导电模式中和在连续导电模式中的不同行为的通用三角波形的示意图。
尽管平均值改变，但是d与b之间的比例仍是线性的。这从控制的观点看确实简化了CCM-DCM过渡。所述外控制回路，即如在图2中所示的电压比较器，为电流控制回路提供了参考。由于电流值的改变，因而所述外控制回路需要现在提供不同的值。另一方面，由于为线性比例，因而相同的一组控制比较器能够容易地这样做。
图6示出了根据本发明的示范性实施例的补偿波形的计算的示意图。
作为范例，图6示出了如果假定三角波形则如何生成补偿电流。如果电感器电流能够通过例如三角波形的形式的简单波形或函数来近似，则其也能够被容易地预测。即使电流不可以通过直线来近似，其仍然可以被预测，但是其将要求更多计算能力。
使T为开关周期，并且使转换器在DCM中操作。所述周期当开关被激活时开始(即，电感器电流开始增加)；开关在TON期间保持ON。然后，开关被改变为OFF；在该时刻处，能够捕获电感器电流(例如，利用采样和保持电路)。使该值为b。TON能够通过简单地将开关控制信号进行积分来测量；使该时间为t1。
假若iL(t)的斜率仅仅由供电和输出电压和电感L来确定(其在开关周期内近似恒定)，能够测量上升斜率m1和下降斜率m2。这是被要求确定补偿信号c(t)的所有信息。进一步假若vLon代表在Ton期间的电感器电压并且vLon>0，并且vLoff代表在Toff期间的电感器电压并且vLoff<0。
实际上，时间点t2由直线r和s的交点给出。这是：
图7示出了根据本发明的示范性实施例的根据电感器电流、所测量的斜率和时间点的估计来构建补偿信号的示意图。电感器电流iL(t)然后能够与任意值(例如，阈值)相比较或者例如与零(参见信号a(t)，如在图7中所示)相比较；当电流为零时，生成脉冲。该脉冲能够被积分和缩放，使得所得到的波形(即，补偿信号c(t))是iL(t)到负值的延伸；该积分继续直到达到t2。在那时，增益被改变，使得补偿信号增加。如果所有参数被适当地测量和/或计算，则补偿信号确切地在T处达到零，从而模拟CCM电感器电流。
图8示出了根据本发明的示范性实施例的用于处理电感器电流并且用于控制功率转换器的设备的示意图。
用于处理电感器电流并且用于控制功率转换器100的设备1可以包括传感器模块10、补偿模块20和操作模块30。
传感器模块10被配置为测量通过功率转换器100的电感器电感器的电流i_L。
补偿模块20被配置为生成补偿波形i_c。
操作模块30被配置为基于补偿波形i_c和电感器电流i_L的加和来提供连续导电模式电流信号i_CCM，并且操作模块30被配置为基于所提供的连续导电模式电流信号i_CCM来控制功率转换器100。
图9示出了根据本发明的示范性实施例的用于X射线生成的高功率预调节器的示意图。
用于X射线生成的高功率预调节器可以包括至少一个功率转换器100。
功率转换器可以包括至少一个电感器L1、L2、……、Ln和设备1。
根据本发明的示范性实施例，设备1可以包括多个补偿模块20-1、20-2、……、20-n，其中，一个补偿模块20-1、20-2、……、20-n被分配至功率转换器100的一个电感器L1、L2、……、Ln。
图10示出了根据本发明的示范性实施例的用于处理电感器电流的方法的流程图的示意图。
所述方法可以包括以下步骤：
作为所述方法的第一步，可以执行测量通过功率转换器100的电感器L1、L2、……Ln S1的电感器电流i_L。
作为方法的第二步，可以执行生成S3补偿波形i_c。
作为方法的第三步，可以执行基于补偿波形i_c并且基于电感器电流i_L提供S3连续导电模式电流信号i_CCM并且基于连续导电模式电流信号i_CCM来控制功率转换器100。
所述方法也可以被用于使用经处理的电感器电流来控制功率转换器100。
必须指出，参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，参考方法类型的权利要求描述一些实施例，而参考设备类型的权利要求描述了其他实施例。
然而，根据上文和先前的描述，本领域技术人员将领会到，除非另外说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同的主题有关的特征之间的其他组合也被认为被本申请所公开。
然而，所有特征可以被组合以提供超过特征的简单加和的协同效应。
尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干项的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。
Claims (13)
1.一种用于处理电感器电流的设备(1)，所述设备(1)包括：
-传感器模块(10)，其被配置为测量通过功率转换器(100)的电感器的电感器电流(i_L)；
-补偿模块(20)，其被配置为生成补偿波形(i_c)；以及
-操作模块(30)，其被配置为基于所述补偿波形(i_c)和所述电感器电流(i_L)的加和来提供连续导电模式电流信号(i_CCM)，并且被配置为基于所提供的连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为基于所述连续导电模式电流信号(i_CCM)在连续导电模式中和/或在不连续导电模式中控制所述功率转换器(100)。
3.根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为使用预定义开关频率来控制所述功率转换器(100)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为基于包括负信号值的所述连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为基于包括三角波形的所述连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)。
6.根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为在用于控制所述功率转换器(100)的控制回路中使用所述连续导电模式电流信号(i_CCM)。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，
其中，所述操作模块(30)被配置为使用比例控制器、或积分控制器、或微分控制器、或比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器来提供所述控制回路。
8.一种功率转换器(100)，包括至少一个电感器(L1、L2、……、Ln)以及根据前述权利要求中的一项所述的设备(1)。
9.一种用于X射线生成的高功率预调节器(200)，包括至少一个根据权利要求9所述的功率转换器(100)。
10.一种用于处理电感器电流的方法，所述方法包括以下步骤：
a)测量(S1)通过功率转换器(100)的电感器的电感器电流(i_L)；
b)生成(S2)补偿波形(i_c)；并且
c)基于所述补偿波形(i_c)和所述电感器电流(i_L)的加和来提供(S3)连续导电模式电流信号(i_CCM)，并且基于所述连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，基于所述连续导电模式电流信号(i_CCM)来控制所述功率转换器(100)的所述步骤包括：基于所述连续导电模式电流信号(i_CCM)在连续导电模式中和/或在不连续导电模式中控制所述功率转换器(100)。
12.一种包括程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行根据前述权利要求10至11中的一项所述的方法。
13.一种包括根据权利要求12所述的计算机程序的计算机可读非瞬态存储介质。
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