CN110168882B - 具有循环电流补偿的电源和供电方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于生成输出信号(OUT)的电源(1)。所述电源(1)包括第一逆变器支路(11)和第二逆变器支路(12)，该第一逆变器支路和第二逆变器支路分别用于通过调制输入直流电压(IN)生成第一脉冲宽度调制信号(PWM1)和第二脉冲宽度调制信号(PWM2)。此外，所述电源(1)包括移相器(120)，所述移相器用于通过对信号(PWM1CTRL)进行移相生成临时第二脉冲宽度调制信号(PWM2’)，所述第一脉冲宽度调制信号(PWM1)是从该信号中获得的。此外，所述电源(1)包括补偿器(121)，所述补偿器用于从所述临时第二脉冲宽度调制信号(PWM2’)中确定第二脉冲宽度调制信号(PWM2)。特别地，所述补偿器(121)在生成所述第二脉冲宽度调制信号(PWM2)期间添加补偿信号。最后，所述电源(1)包括耦合电感器(13)，所述电感器用于合并所述第一脉冲宽度调制信号(PWM1)和所述第二脉冲宽度调制信号(PWM2)以形成所述输出信号。

Description

具有循环电流补偿的电源和供电方法
技术领域
本发明涉及开关电源。
背景技术
在开关电源中，使用一个以上开关支路能够提高效率并降低硬件成本。当合并耦合电感器中的一个以上开关支路生成的信号时，可能产生循环电流。这些循环电流导致了耦合电感器的磁饱和，从而导致耦合损耗。因此，重要的是防止耦合电感器内的这种循环电流。
该问题的一个示例解决方案是在每个开关支路中提供霍尔电流传感器，以便测量每个开关支路中的电流。通过这种方法，可以确定循环电流的存在并抵销循环电流。然而该方法也有缺点，因为霍尔电流传感器是相当昂贵的部件。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于生成输出信号的电源和方法，在将硬件成本保持在最低限度的同时实现高效率。
该目的通过权利要求1中的装置的特征以及权利要求9中的方法的特征实现。从属权利要求包含进一步的发展。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于生成输出信号的电源。所述电源包括逆变器支路，用于通过调制输入信号生成第一脉冲宽度调制信号。此外，所述电源包括移相器，其用于通过对信号进行移相生成临时第二脉冲宽度调制信号，所述第一脉冲宽度调制信号是从所述信号中获得的。此外，所述电源包括补偿器，其用于从所述临时第二脉冲宽度调制信号中确定第二脉冲宽度调制信号。特别地，所述补偿器在生成所述第二脉冲宽度调制信号期间添加补偿信号。最后，所述电源包括耦合电感器，其用于合并所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号以形成所述输出信号。通过使用补偿信号，可以补偿耦合电感器内的循环电流。磁饱和保持在最低限度，这使得电源效率最大化。
根据第一方面的第一种实现方式，所述补偿器用于确定所述第二脉冲宽度调制信号，以便补偿所述耦合电感器内的循环电流，由此实现了特别高的电源效率。
根据第一方面的第二种实现方式，所述逆变器支路用于通过用调制波信号m(n)调制所述输入信号来生成所述第一脉冲宽度调制信号，其中n是时间索引。所述补偿器用于根据所述调制波信号m(n)确定所述补偿信号，由此可以特别有效地减少循环电流。
根据第一方面的第二种实现方式的第一种实现方式，所述调制波信号m(n)是AC信号，由此可以实现特别简单的调制。
根据第一方面的第二种实现方式的第二种实现方式，所述补偿器用于将所述补偿信号确定为：Y＝2xΔm。
Y是所述补偿信号，Δm确定为m(n)–m(n–1)，由此实现了耦合电感器内的循环电流的显著减少。
根据第一方面的第二种实现方式的第二种实现方式的第一种实现方式，所述补偿器用于确定由预定最大值限定的所述补偿信号Y，由此确保了所述电源的连续操作。
根据第一方面的第三种实现方式，所述电源还包括整流器，其用于通过整流AC输入电压来生成DC总线电压，由此可以非常灵活地使用电源线上的所述电源。
根据第一方面的第四种实现方式，所述移相器用于生成具有与所述第一脉冲宽度调制信号相同的占空比的所述临时第二脉冲宽度调制信号，由此可以非常简单地生成所述临时第二脉冲宽度调制信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于生成输出信号的方法。所述方法包括：通过调制输入信号生成第一脉冲宽度调制信号；通过对信号进行移相确定临时第二脉冲宽度调制信号，所述第一脉冲宽度调制信号是从所述信号中获得的；通过添加补偿信号从所述临时第二脉冲宽度调制信号中确定第二脉冲宽度调制信号；通过耦合电感器合并所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号以形成所述输出信号。通过使用补偿信号，可以补偿耦合电感器内的循环电流。磁饱和保持在最低限度，这使得电源效率最大化。
根据第二方面的第一种实现方式，确定所述补偿信号以便补偿所述耦合电感器内的循环电流，由此实现了特别高的电源效率。
根据第二方面的第二种实现方式，通过用调制波信号m(n)调制所述输入信号来生成所述第一脉冲宽度调制信号，其中n是时间索引。根据所述调制波信号m(n)确定所述补偿信号，由此可以特别有效地减少循环电流。
根据第二方面的第二种实现方式的第一种实现方式，所述调制波信号是AC信号，由此可以实现特别简单的调制。
根据第二方面的第二种实现方式的第二种实现方式，所述补偿信号确定为Y＝2xΔm。Y是所述补偿信号，Δm确定为m(n)–m(n–1)，由此实现了耦合电感器内的循环电流的显著减少。
根据第二方面的第二种实现方式的第二种实现方式的第一种实现方式，确定由预定最大值限定的所述补偿信号Y，由此确保了所述电源的连续操作。
根据第二方面的第三种实现方式，所述方法还包括：通过整流AC输入电压来生成DC总线电压，由此可以非常灵活地使用电源线上的所述电源。
根据第二方面的第四种实现方式，通过与所述第一脉冲宽度调制信号相同的占空比来生成所述临时第二脉冲宽度调制信号，由此可以非常简单地生成所述临时第二脉冲宽度调制信号。通常，需要注意的是，本申请中描述的所有设置、设备、元件、单元以及方法等都可以由软件或硬件元件或其任意组合实现。此外，设备可以是处理器或可以包括处理器，其中本申请中描述的元件、单元和工具的功能可以在一个或多个处理器中实现。由本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及描述为由各种实体执行的功能旨在表示不同的实体用于执行不同的步骤和功能。即使在下述描述或者具体实施例中，由通用实体执行的特定功能或步骤未在执行特定步骤或功能的实体的特定详细元件的描述中体现，技术人员也应该了解这些方法和功能可以在各个软件或硬件元件或它们的任意组合中实现。
附图说明
下文参考附图对本发明的实施例相关的细节详细阐述，在附图中：
图1示出了电源的第一实施例；
图2示出了电源实施例中的不同信号；
图3以框图示出了根据本发明第一方面的电源的第一实施例；
图4示出了调制波信号的实施例；
图5示出了根据本发明第一方面的电源的第二实施例中的不同信号；
图6示出了产生的信号；
图7示出了根据本发明第一方面的电源的第三实施例的输出信号的实施例；
图8示出了根据本发明第二方面的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
首先参照图1演示开关电源的结构。参照图2，进一步解释了循环电流的问题。参照图3–5，描述了根据本发明第一方面的电源的不同实施例的结构和功能。参照图6和图7，示出了使用本发明可实现的结果。最后，沿着图8，示出了根据本发明第二方面的方法的实施例的功能。已经部分省略了不同附图中的类似实体和附图标记。
图1中示出了电源1的实施例。电源1包括逆变器2，逆变器2具有正电压轨31、负电压轨32和多个开关21–28。开关21–28中的个开关管在实施中可以是晶体管和二极管的并联。此外，正电压轨31通过电容29连接到接地线33。另外，负电压轨32通过电容30连接到接地线33。逆变器2连接到耦合电感器13。耦合电感器13的输出端通过霍尔电流传感器38馈电并连接到电容36和电阻37。电容36连接到接地线34。电阻37连接到接地线35。
为了操作电源1，在正电压轨31和负电压轨32之间提供DC输入电压。切换开关21–28，从而生成第一脉冲宽度调制信号PWM1和第二脉冲宽度调制信号PWM2并将其提供给耦合电感器13的两路独立输入端。耦合电感器13合并这两路信号形成并输出电流iL。该电流由霍尔电流传感器38进行测量。
开关21–28通过用调制波信号调制输入信号来生成第一脉冲宽度调制信号PWM1和第二脉冲宽度调制信号PWM2。例如，这种调制波信号如图4所示。所产生的信号是移相180°后的信号。通过这里所示的设置，很难确保耦合支路之间的伏秒平衡。这可能导致耦合电感器13内的循环电流。该循环电流驱动耦合电感器内的磁场进入饱和状态，导致耦合效率降低，从而降低整个电源1的效率。
如前所述，这个问题可以通过添加另一个霍尔电流传感器来测量i1和i2来解决，但这需要额外的巨大努力。而且，为了减少循环电流，这需要控制回路的高控制频率。
图2中描述了第一脉冲宽度调制信号PWM1的示例和第二脉冲宽度调制信号PWM2的示例。在这些信号之上，示出了所产生的循环电流。循环电流是第一逆变器支路上的电流和第二逆变器支路上的电流之间的差值。可以容易地看出，存在平均循环电流，其驱动耦合电感器13内的磁场进入饱和状态。在没有附加传感器的情况下，仅使用图1所示的测量不能防止这种情况。由于不存在相应的传感器，因此不可能执行循环电流的闭环调节。
然而，根据图1的电源可以扩展到根据本发明第一方面的电源。这种电源1如图3所示。其中，电源1以方框图示出。整流器10连接到逆变器2，逆变器2还连接到耦合电感器13。该逆变器尤其包括第一逆变器支路11和第二逆变器支路12。尽管只有第一逆变器支路11处理传统的脉冲宽度调制器。第一逆变器支路11包括脉冲宽度调制确定单元110，其连接到脉冲宽度调制器112，脉冲宽度调制器112又连接到第一开关111。
另一方面，第二逆变器支路12包括连接到补偿器121的移相器120，补偿器121再连接到第二开关122。第一逆变器支路11，尤其是第一开关111，连接到耦合电感器13的第一支路。第二逆变器支路12，尤其是第二开关122，连接到耦合电感器13的第二支路。重要的是，第一开关111和第二开关122可以构造为多个晶体管，如图1所示。
当操作电源1时，将AC输入信号ACIN提供给整流器10。整流器10整流AC输入信号ACIN来生成DC输入信号IN。将该输入信号IN提供给第一开关111和第二开关122。
脉冲宽度调制确定单元110生成调制波信号(modulation wave signal，简称MWS)并将其提供给脉冲宽度调制器112。此外，还向脉冲宽度调制器提供载波信号，优选三角信号。调制器将调制波信号与载波信号进行比较。当调制波信号大于载波信号时，调制器激活第一开关111。当调制波信号小于载波信号时，调制器去激活第一开关111。因此，脉冲宽度调制器所产生的信号是第一脉冲宽度调制控制信号PWM2CTRL。该信号激活和去激活第一开关111。因此，第一开关111基于调制波信号调制输入信号IN。产生第一脉冲宽度调制信号PWM1。将该第一脉冲宽度调制控制信号PWM1CTRL传递到移相器120，移相器120通过将第一脉冲宽度调制信号1移相180°来生成临时第二脉冲宽度调制信号PWM2'。将临时第二脉冲宽度调制信号PWM2'传递给补偿器121，补偿器121对耦合电感器13内的循环电流进行补偿。为此，补偿器121将补偿信号Y添加到临时第二脉冲宽度调制信号中。特别地，这是通过将临时第二脉冲宽度调制信号PWM2'的占空比增加值Y来完成的，进一步如图5所示。将所产生的第二脉冲宽度调制控制信号PWM2CTRL提供给第二开关122，其使用第二脉冲宽度调制控制信号PWM2CTRL调制输入信号IN。结果，第二开关122生成第二脉冲宽度调制信号PWM2。耦合电感器13合并第一脉冲宽度调制信号PWM1和第二脉冲宽度调制信号PWM2。这产生了输出信号OUT。
尽管没有关于耦合电感器13内的循环电流的闭环控制，但是上述测量仍然显著减少了循环电流，因为校正了脉冲宽度调制信号内的系统误差。
图4中示出了随时间变化的调制波信号的示例。这里描述了调制波信号在不同示例时刻的不同取值。
图5中示出了图3的电源1内的不同信号。第一脉冲宽度调制信号PWM1具有一定的脉冲宽度。临时第二脉冲宽度调制信号PWM2'具有与第一脉冲宽度调制信号PWM1相同的脉冲宽度并因此具有相同的占空比，但是它移相了180°。第二脉冲宽度调制信号PWM2相对于第一脉冲宽度调制信号PWM1仍然移相了180°，但是通过加上数值Y修正了占空比，如图5所示。数值Y确定为：
Y＝2xΔm。
Δm是调制波信号的两个相邻取值之间的差值。因此，m是m(n)–m(n–1)。m(n)是调制波信号在时刻T(n)处的取值。m(n-1)是调制波信号在时刻T(n–1)处的取值。
该计算基于线性近似法。或者，也可以使用更精确的近似法。
图6中显示的是常规电源中随时间变化的循环电流I和循环电流I的平均值，如图1所示。可以清楚地看出，平均循环电流的取值可达到16A。
图7中显示了如图3中所示的本发明第一方面的电源的循环电流和平均循环电流。这里可以清楚地看出，平均循环电流的最大值低于0.5A。这导致了循环电流的显著降低，并因此显著提高了耦合电感器13的耦合效率。
最后，图8中示出了本发明第二方面的方法的实施例。在可选的第一步骤100中，整流AC输入信号以生成DC总线电压。在第二步骤101中，生成第一脉冲宽度调制信号。在第三步骤102中，将信号移相180°，第一脉冲宽度调制信号是从该信号中获得的。该信号是图3中的第一脉冲宽度调制控制信号PWM1CTRL。这产生了临时第二脉冲宽度调制信号。在第四步骤103中，从临时第二脉冲宽度调制信号中生成第二脉冲宽度调制信号。如前所述，这是通过增加临时第二脉冲宽度调制信号的占空比来完成的。将补偿信号Y添加到临时第二脉冲宽度调制信号的占空比中。在最后的第五步骤104中，在耦合电感器中合并第一脉冲宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号，产生输出信号。
本发明不限于这些示例，尤其不限于所示类型的逆变器。本发明还可以应用于具有两个以上逆变器支路的电源。可以用任何有利的组合使用实施例中的特征。
在此结合各种实施例描述了本发明。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其他变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，“一”不排除多个。单个处理器或其它单元可满足权利要求书中描述的几项的功能。在仅凭某些措施被记载在通常不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储/分发到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线通信系统分发。

Claims (11)

1.一种用于生成输出信号的电源，其特征在于，包括：
逆变器支路，用于通过用调制波信号m(n)调制输入信号生成第一脉冲宽度调制信号，其中n是时间索引；
移相器，用于通过对依据所述调制波信号m(n)产生的第一脉冲宽度调制控制信号进行移相生成临时第二脉冲宽度调制信号，所述第一脉冲宽度调制信号是从该第一脉冲宽度调制控制信号中获得的；
补偿器，用于根据所述调制波信号m(n)确定补偿信号并通过添加所述补偿信号，从所述临时第二脉冲宽度调制信号中确定第二脉冲宽度调制信号，其中所述补偿信号用于调整所述第二脉冲宽度调制信号的占空比，其中，所述补偿器用于将所述补偿信号确定为：Y＝2xΔm，其中Y是所述补偿信号，Δm确定为m(n)–m(n–1)；
耦合电感器，用于合并所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号以形成所述输出信号。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述补偿器用于确定所述第二脉冲宽度调制信号，以便补偿所述耦合电感器内的循环电流。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述调制波信号m(n)是AC信号。
4.根据权利要求1或者3所述的电源，其特征在于，所述补偿器用于确定由预定最大值限定的所述补偿信号Y。
5.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，包括整流器，用于通过整流AC输入电压来生成DC总线电压。
6.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述移相器用于生成具有与所述第一脉冲宽度调制信号相同的占空比的所述临时第二脉冲宽度调制信号。
7.一种用于生成输出信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过用调制波信号m(n)调制输入信号生成第一脉冲宽度调制信号，其中n是时间索引；通过对依据所述调制波信号m(n)产生的第一脉冲宽度调制控制信号进行移相确定临时第二脉冲宽度调制信号，其中，所述第一脉冲宽度调制信号是从该第一脉冲宽度调制控制信号中获得的；
根据所述调制波信号m(n)确定补偿信号并通过添加所述补偿信号从所述临时第二脉冲宽度调制信号中确定第二脉冲宽度调制信号，其中所述补偿信号用于调整所述第二脉冲宽度调制信号的占空比，所述补偿信号确定为：Y＝2xΔm，其中Y是所述补偿信号，Δm确定为m(n)–m(n–1)；
通过耦合电感器合并所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号以形成所述输出信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定所述补偿信号以便补偿所述耦合电感器内的循环电流。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制波信号m(n)是AC信号。
10.根据权利要求7或者9所述的方法，其特征在于，确定由预定最大值限定的所述补偿信号Y。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括：通过整流AC输入电压来生成DC总线电压。
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