CN108023481B - 具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器。一种电路具有改变固定输入反相放大电路的输出的可变输出，固定输入反相放大电路包括第一运算放大器，其一个输入端子施加有固定输入值。该电路包括中间反相放大电路，其具有第二运算放大器，第二运算放大器的输出端子连接到包括在固定输入反相放大电路中的运算放大器的另一输入端子。第二运算放大器的一个输入端子施加有与施加到第一运算放大器的一个输入端子的固定输入值相同的输入值。第二运算放大器的另一输入端子施加有与第一运算放大器的输出对应的可变输入。

Description

具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器
技术领域
本发明涉及具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器，更具体地，涉及具有可变输出的电路。
背景技术
使用存储在电池中的电能驱动的环境友好型车辆包括电动车辆、混合动力车辆等，环境友好型车辆采用DC变换器，用于将存储在电池中的电力转换成期望的电压水平。随着这些环境友好车辆正被逐步普及，且已经不断进行着这些环境友好车辆的技术开发，减小DC变换器等的尺寸的需求已经增加。
尽管已经进行了对于DC变换器的拓扑和由新材料制成的功率部件的研究，但用于实施DC变换器的拓扑已经逐渐从早期的移相全桥(PSFB)拓扑转变成有源钳位正激(ACF)拓扑。与PSFB相比，在相同功率下ACF拓扑可以减少功率半导体的数量。因此，ACF拓扑具有减小这种DC变换器的尺寸和成本的优点。此外，ACF拓扑结构更适用于高功率，例如用于车辆的DC变换器，因为碳化硅(SiC)技术被应用于功率半导体，由此对于大电流的开关损耗的增加是最小的。
在应用各种拓扑的变换器中，可以应用数字或模拟方案来控制变换器的输出。另一方面，变换器采用用于控制一个或多个作为功率半导体元件应用的开关元件的导通/关断状态的方案。通过选择适合于被设计为产生用于控制一个或多个开关元件的导通/关断状态的控制信号的变换器电路的商用控制用集成元件，来制造控制电路。
当向变换器电路应用控制方案时，将控制技术应用来反馈变换器电路的输出，以将其与从外部上位控制器等输入的电压命令进行比较，以便使反馈电压跟随已经施加的电压命令。换句话说，为了电池的高效充电和放电控制，或者为了获得车辆的燃料效率的提高，环境友好型车辆需要改变并施加电压命令。因此，车辆可能必须根据电压命令可变地控制变换器的输出。
用于控制变换器电路的商用集成元件通常不具有改变与反馈电压进行比较的电压命令的结构。特别地，设置成与反馈电压进行比较的集成元件的运算放大器的第一输入端子被施加了具有已固定的值的电压。因此，难以根据可变电压命令可变地控制变换器的输出。
已经提供作为现有技术进行描述的内容，其仅用于帮助理解本发明背景的理解，并且其不应被认为必定是对应于本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可变输出的电路，其能够将具有运算放大器的反相放大电路的输出改变成期望值，其中运算放大器的一个输入端子施加有固定输入值。本发明的另一个目的是提供一种包括该电路的变换器控制器。
根据本发明的实施例，一种电路具有改变固定输入反相放大电路的输出的可变输出，固定输入反向放大电路包括：第一运算放大器，其一个输入端子施加有固定输入值。该电路还包括中间反相放大电路，被配置成具有第二运算放大器，第二运算放大器的输出端子连接到包括在固定输入反相放大电路中的第一运算放大器的另一输入端子。第二运算放大器的一个输入端子施加有与施加到第一运算放大器的一个输入端子的固定输入值相同的输入值。第二运算放大器的另一输入端子施加有与第一运算放大器的输出对应的可变输入。
固定输入反相放大电路可以包括第一电阻器，其连接在第一运算放大器的另一输入端子与第二运算放大器的输出端子之间，并且固定输入反相放大电路可以包括第二电阻器，其连接在第一运算放大器的另一输入端子与第一运算放大器的输出端子之间。第一电阻器和第二电阻器可以具有相同的电阻值。中间反相放大电路可以包括第三电阻器，其连接在第二运算放大器的另一输入端子与施加有可变输入的端子之间，并且中间反相放大电路可以包括第四电阻器，其连接在第二运算放大器的另一输入端子与第二运算放大器的输出端子之间。第三电阻器和第四电阻器可以具有相同的电阻值。
上述电路还可以包括：控制值生成电路，其被配置成具有施加以控制命令值的一个输入端子和施加以控制反馈值的另一输入端子。控制值生成电路也可以被配置成输出与控制命令值和控制反馈值之间的差值对应的误差值，以将误差值作为可变输入提供给第二运算放大器的另一输入端子。
根据本发明的另一实施例，一种变换器控制器，其通过以输出电压进行反馈来控制输入电流的幅值，从而执行控制使输出电压的幅值跟随电压命令。变换器控制器包括：固定输入反相放大电路，其配置成包括第一运算放大器，第一运算放大器具有施加以固定输入值的一个输入端子，并且第一运算放大器具有作为用于控制输入电流的幅值的电流命令的输出；变换器控制器也包括中间反相放大电路，其配置成具有第二运算放大器，第二运算放大器的输出端子连接到包括在固定输入反相放大电路中的第一运算放大器的另一输入端子。第二运算放大器也具有一个输入端子，其提供有与固定输入值相同的值。变换器控制器还具有电压比较电路，其配置成包括第三运算放大器，第三运算放大器具有施加以电压命令的一个输入端子、反馈以输出电压的另一输入端、以及输出端，输出端与中间反相放大电路的另一输入端子连接，以输出与电压命令和以输出电压进行反馈的值之间的差值对应的误差值。
固定输入反相放大电路可以被包括在开关驱动用集成电路中，即，控制一个或多个开关元件的集成电路。集成电路可以被预先制造，即配置、控制或者编程为：施加以输入电流的幅值，并将输入电流与电流命令进行比较，以生成用于控制变换器的一个或多个开关元件的脉冲宽度调制(PWM)信号。
固定输入反相放大电路可以包括第一电阻器，其连接在第一运算放大器的另一输入端子和第二运算放大器的输出端子之间连接，并且固定输入反相放大电路可以包括第二电阻器，其连接在第一运算放大器的另一输入端子和第一运算放大器的输出端子之间。第一电阻器和第二电阻器可以具有相同的电阻值。中间反相放大电路可以包括第三电阻器，其连接在第二运算放大器的另一输入端子与施加有可变输入的端子之间，并且中间反相放大电路可以包括第四电阻器，其连接在第二运算放大器的另一输入端子与第二运算放大器的输出端子之间。第三电阻器和第四电阻器可以具有相同的电阻值。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的应用具有可变输出的电路的变换器系统的电路图。
图2是根据本发明的实施例的具有可变输出的电路的电路图。
图3是示出根据本发明的实施例的具有可变输出的图2的电路的每个元件的输出信号的电平的视图。
具体实施例
在下文中，参考附图更详细地描述根据本发明的各实施例的具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器。
图1是示出根据本发明的实施例的应用具有可变输出的电路的变换器系统的电路图。
参考图1，应用具有可变输出的电路的变换器系统可以包括：变换器电路200，其被配置成转换从电源100提供的DC电力的电平。直流电力将要被提供给负载300和脉冲宽度调制(PWM)集成电路(芯片)400。PWM集成电路或芯片400被配置成输出PWM信号，该PWM信号被输入到包括在变换器电路200中的开关元件的栅极，以控制开关元件的导通/关断状态。
在这种配置中，变换器电路200可以通过应用移相全桥(PSFB)拓扑、有源钳位正激(ACF)拓扑或其他拓扑来实现。图1示出应用了PSFB拓扑的变换器电路200的示例。无论变换器电路使用什么拓扑，包括根据本发明实施例的输出控制电路的变换器系统的变换器电路200可以是包括一个或多个开关元件，以使用开关元件的导通/关断状态来控制输出电压的电平的变换器电路。
为了控制变换器电路200，变换器系统以提供给变换器电路200的电流和从变换器电路200施加到负载300的电压进行反馈。
为了控制变换器电路200，变换器系统包括：电压比较电路30，其将检测从变换器电路200提供至负载300的电压而得到的控制电压或反馈电压与从上位控制器等输入的控制命令或电压命令Vref进行比较。比较电路30被配置成输出具有与反馈电压和电压命令Vref之间的差值对应的值的信号。电压比较电路30可以是由具有两个输入端子的运算放大器实现的误差放大电路。一个输入端子输入反馈电压，另一输入端子输入电压命令Vref。输出端子输出与反馈电压和电压命令Vref之间的差值对应的信号。电压比较电路30的输出可以被提供给PWM集成电路或芯片400的第一输入引脚P1。
PWM集成电路或芯片400具有第二输入引脚P2，向该引脚施加有与检测从电源100(例如，车辆的高压电池)向变换器电路200提供的电流而得到的反馈电流对应的值。PWM集成电路或芯片400可以将提供给第一输入引脚P1的电压比较结果与对应于提供给第二输入引脚P2的反馈电流的值进行比较。该比较可以使用比较器410，以基于电压比较结果与上述值之间的差值来确定用于控制变换器电路200的一个或多个开关元件的PWM信号的占空比等。图1示出PWM集成电路或芯片400直接向一个或多个开关元件的一个或多个栅极提供PWM信号。PWM集成电路400还可以包括附加驱动电路，其生成栅极驱动信号，用于基于由PWM集成电路或芯片400提供的PWM信号来控制一个或多个开关元件的一个或多个栅极。在图1中，应理解，PWM集成电路或芯片400包括生成栅极驱动信号的驱动电路。
尽管图1中未示出，但是PWM集成电路或芯片400可以包括具有第一运算放大器的固定输入反相放大电路(参见图2中的电路10)，第一运算放大器的一个输入端子施加有固定输入值或电压。固定输入反相放大电路的另一输入端子可以与第一输入引脚P1连接。在特定PWM集成电路或芯片400的情况下，即使控制信号被输入至第一输入引脚P1，固定输入反相放大电路的一个输入端子施加有固定电压，因此，可能无法获得所需的比较结果。换句话说，即使向第一输入引脚P1输入反馈电压或反馈电压与电压命令的比较结果，嵌入在PWM集成电路或芯片400中的固定输入反相放大电路也总是输出与固定输入值比较的结果，并将结果提供给比较器410。因此，以改变期望的电压值，输出与其对应的值的方式进行控制是非常困难的。
根据本发明的实施例，包括固定输入反相放大电路的PWM集成电路或芯片400可以包括在图2中示出的中间反相放大电路20，以向第一输入引脚P1提供期望的可变输入值。
图2是根据本发明的实施例的具有可变输出的电路的电路图。
参考图2，提供具有可变输出的电路以改变固定输入反相放大电路10的输出。具有可变输出的电路包括第一运算放大器OP1，其一个输入端子施加有固定的输入值或电压。具有可变输出的电路还包括中间反相放大电路20，其具有第二运算放大器OP2，第二运算放大器OP2的输出端子经由引脚P1与包括在固定输入反相放大电路10中的运算放大器OP1的另一输入端子连接。
中间反相放大电路20的第二运算放大器OP2的一个输入端子施加有与输入至包括在固定输入反相放大电路中的第一运算放大器OP1中的一个输入端子的固定输入值或电压相同的输入值或电压。第二运算放大器OP2的另一输入端子经由控制电路200和负载300施加有与第一运算放大器OP1的输出对应的可变输入或电压。换句话说，上述变换器系统可以将如图1所示的电压比较电路30的输出施加到如图2所示的第二运算放大器OP2的另一输入端子，并且其中，电压比较电路30将电压命令Vref与来自负载300的电压反馈Vfb进行比较，并输出比较结果。
根据如图2所示的电路结构，嵌入在如图1所示的PWM集成电路或芯片400中的固定输入反相放大电路10的输出被确定为与电压比较电路30的输出相同的值。换句话说，无论嵌入在PWM集成电路或芯片400中的固定输入反相放大电路10中的运算放大器OP1的固定输入如何，由电压比较电路30得到的电压命令Vref与电压反馈Vfb的比较结果可以从固定输入反相放大电路10的输出端子输出。
通过反相放大电路的以下特征推导出上述结果。
为了推导，将图2的固定输入反相放大电路10的输入电压设定为“Vi1”，且将其输出电压设定为“Vo1”。同样地，为了推导，连接在第一运算放大器OP1的另一输入端子与第二运算放大器OP2的输出端子(即，固定输入反相放大电路10的输入端子)之间的第一电阻器R1和连接在第一运算放大器OP1的另一输入端子与第一运算放大器OP1的输出端子之间的第二电阻器R2具有相同的值。固定输入反相放大电路10的输出电压可以使用以下公式1来确定。
[公式1]
Vo1＝2A-Vi1
在上述公式1中，A表示施加到第一运算放大器OP1的一个输入端子的固定电压值。
此外，为了推导，将中间反相放大电路20的输入电压设定为“Vi2”，且将其输出电压设定为“Vo2”。同样地，为了推导，连接在第二运算放大器OP2的另一输入端子与第三运算放大器OP3的输出端子(换句话说，中间反相放大电路20的输入端子)之间的第三电阻器R3与连接在第二运算放大器OP2的另一输入端子与第二运算放大器OP2的输出端子之间的第四电阻器R4具有相同的值。中间反相放大电路10的输出电压可以由以下公式2来确定。
[公式2]
Vo2＝2A-Vi2
在上述公式1和2中，如果固定输入反相放大电路10的输入电压“Vi1”和中间反相放大电路20的输出电压“Vo2”是公共节点的电压且因此相等，则固定输入反相放大电路10的输出电压“Vo1”等于中间反相放大电路20的输入电压“Vi2”。中间反相放大电路20的输入电压“Vi2”具有与电压比较电路30的输出电压的值相同的值，使得固定输入反相放大电路10的输出电压“Vo1”被确定为与电压比较电路30的输出电压相同的值。
图3是示出根据本发明的实施例的具有可变输出的电路的每个元件的输出信号的电平的图示。图3确认了电压比较电路30的输出电压S1通过中间反相放大电路20被反相成相对于固定值或电压具有对称关系的反相信号S2。输出电压通过固定输入反相放大电路10再次反相成相对于固定值的对称关系。
因此，无论施加到固定输入反相放大电路10的一个输入端子的固定值如何，电压命令Vref与电压反馈Vfb的比较结果都从固定输入反相放大电路10输出。因此，响应于电压命令Vref的变化而变化的电压比较电路30的比较结果被输入至PWM集成电路芯片400中的比较器410，由此可变地控制变换器电路200(图1)的输出。
如上所述，根据本发明的包括可变输出电路和具有该电路的变换器控制器在内的各种实施例，尽管在不能修改电路本身的状态下实施具有固定输入的反相放大电路，例如PWM集成电路，但是也可以将具有固定输入的反相放大电路的输出改变为期望值。
可以将这些特征用于应用于环境友好型车辆的DC-DC变换器，等。在车辆用变换器的情况下，为了促进辅助电池的高效的充电/放电控制(电池的过放电/过充电防止等)，并促进车辆燃料效率的提高，根据行驶状态、电场负载、电池的充电状态，周围温度等改变和使用电池的充电电压。因此，环境友好车辆的变换器需要将输出电压改变成各种电平。
因此，根据本发明的各种实施例，在无法修改电路自身例如PWM集成电路的状态中确定输入的电路结构中，可以容易地根据期望的电压命令改变变换器的输出。当选择满足PWM集成电路的最大电压要求的增益时，所公开的可变输出电路和包括该电路的变换器控制器可以甚至用作限幅器。
根据所公开的可变输出电路和具有该电路的变换器控制器，尽管在无法修改电路本身例如PWM集成电路的状态下实施具有固定输入的反相放大电路，但是可以将具有固定输入的反相放大电路的输出改变成期望的值。
因此，当将所公开的可变输出电路和包括该电路的变换器控制器应用于车辆时，可以根据行驶状态、电场负载、电池的充电状态、周围温度等改变电池的充电电压。这促进了车辆电池的有效的充电放电控制(电池的过放电/过充电防止等)，以及车辆的燃料效率的提高，等。
此外，当选择满足PWM集成电路的最大电压要求的增益时，所公开的可变输出电路和包括该电路的变换器控制器可以甚至用作限幅器。
尽管已经对于特定实施例示出并描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不违背由下列权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，本发明可进行不同地修改和变化。

Claims (5)

1.一种变换器控制器，通过以输出电压进行反馈来控制输入电流的幅值，从而执行控制使输出电压的幅值跟随电压命令，所述变换器控制器包括：
固定输入反相放大电路，包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的一个输入端子被施加固定输入值，其中，所述第一运算放大器的输出被提供为用于控制所述输入电流的幅值的电流命令；
中间反相放大电路，具有第二运算放大器，所述第二运算放大器的输出端子与包括在所述固定输入反相放大电路中的所述第一运算放大器的另一输入端子连接，并且所述第二运算放大器的一个输入端子被提供与所述固定输入值相同的值；以及
电压比较电路，包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的一个输入端子被施加所述电压命令，另一输入端子被反馈以所述输出电压，并且输出端子连接到所述中间反相放大电路的另一输入端子，以输出与所述电压命令和以输出电压反馈的值之间的差值对应的误差值，
其中，所述固定输入反相放大电路被包括在开关驱动用集成电路中，所述开关驱动用集成电路事先被制造为：施加以所述输入电流的幅值，并将所述输入电流与所述电流命令进行比较，从而生成用于控制所述变换器的开关元件的PWM信号。
2.根据权利要求1所述的变换器控制器，其中，所述固定输入反相放大电路包括第一电阻器，所述第一电阻器连接在所述第一运算放大器的所述另一输入端子与所述第二运算放大器的所述输出端子之间，并且所述固定输入反相放大电路包括第二电阻器，所述第二电阻器连接在所述第一运算放大器的所述另一输入端与所述第一运算放大器的输出端子之间，并且
所述中间反相放大电路包括第三电阻器，所述第三电阻器连接在所述第二运算放大器的所述另一输入端子与被施加可变输入的端子之间，并且所述中间反相放大电路包括第四电阻器，所述第四电阻器连接在所述第二运算放大器的所述另一输入端与所述第二运算放大器的所述输出端子之间。
3.根据权利要求2所述的变换器控制器，其中，所述第一电阻器和所述第二电阻器具有相同的电阻值。
4.根据权利要求3所述的变换器控制器，其中，所述第三电阻器和所述第四电阻器具有相同的电阻值。
5.根据权利要求2所述的变换器控制器，其中，所述第三电阻器和所述第四电阻器具有相同的电阻值。
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