CN112640287B - 共振型转换器、其控制电路以及控制方法 - Google Patents

共振型转换器、其控制电路以及控制方法 Download PDF

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Abstract

在共振型转换器控制电路中，共振型转换器的驱动控制的各周期具有驱动共振型转换器的驱动期间以及使其暂停的暂停期间，共振型转换器控制电路具备：第一振荡单元，生成基本频率的时钟信号；第二振荡单元，生成与时钟信号同步的锯齿波信号；第三振荡单元，生成具有规定的占空比以及比锯齿波信号的频率高的规定频率的矩形波信号；比较单元，通过将锯齿波信号与表示驱动期间与暂停期间的比例的阈值信号进行比较来输出表示驱动期间的比较信号，所述比较信号是基于共振型转换器的输出电压与目标电压的差电压而生成的；以及逻辑运算单元，基于比较信号与矩形波信号，生成驱动控制信号来驱动控制共振型转换器。

Description

共振型转换器、其控制电路以及控制方法
技术领域
本发明涉及共振型转换器的控制电路、其控制方法以及共振型转换器。
背景技术
现在，作为控制共振型DCDC转换器的输出电压的方法，通常已知有迟滞控制(例如参照非专利文献1以及2)。在迟滞控制中，检测输出电压Vo，控制开关电路使得检测出的输出电压Vo收敛于包含目标电压Vd的规定的容许幅度之间。由此，能够以将输出电压Vo与目标电压Vd之间的误差抑制在规定值以下的方式控制共振型转换器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-78228号公报
非专利文献
非专利文献1：Helen Ding，“Application Note AN-1160”，[online]，平成22年10月9日，Infineon Technologies，[平成30年10月30日检索]，网址<URL：
https://www.infineon.com/dgdl/an-1160.pdf？fileId＝5546d462533600a40153559a85df1115>
非专利文献2：平地克也，“LLC方式DC/DC转换器的电路结构和动作原理”，[online]，平成26年5月29日，舞鹤高等工业专门学校，[平成30年10月30日检索]，网址<URL：
http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20140529-3.pdf>
发明内容
发明要解决的问题
在非专利文献1以及2所涉及的共振型转换器的控制中，由于输出电压存在规定容许幅度，因此控制的精度有限。另外，因输入电压的大小或者负荷的大小等因素，使得控制共振型转换器的驱动信号的占空比以及周期可能会发生变化，因此难以预测共振型转换器的动作以及输出电压的推移这样的举动，这也使控制变得困难。
本发明的目的是解决以上的问题点，提供一种能够比现有技术精密且容易地控制共振型转换器的输出电压的共振型转换器控制电路和其控制方法、以及共振型转换器。
用于解决问题的技术方案
第一发明所涉及的共振型转换器控制电路，用于控制共振型转换器，以使输出的直流电压成为规定的目标电压，共振型转换器将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出，共振型转换器的驱动控制的各周期具有驱动共振型转换器的驱动期间以及使共振型转换器暂停的暂停期间，共振型转换器控制电路具备：第一振荡单元，生成具有规定的基本频率的时钟信号；第二振荡单元，生成与时钟信号同步的锯齿波信号；第三振荡单元，生成具有规定的占空比以及比锯齿波信号的频率高的规定的频率的矩形波信号；比较单元，通过将锯齿波信号与表示驱动期间与暂停期间的比例的阈值信号进行比较来输出表示驱动期间的比较信号，比较信号是基于共振型转换器的输出电压与输出电压的目标值即目标电压之间的差电压而生成的；以及逻辑运算单元，计算比较信号与矩形波信号之间的逻辑积，生成表示计算结果的驱动控制信号来驱动控制共振型转换器。
在上述的共振型转换器控制电路中，上述的差电压是通过了对目标电压波形进行补偿以及稳定化的补偿器的电压。
另外，在上述的共振型转换器控制电路中，上述的矩形波信号具有50％的占空比。
此外，在上述的共振型转换器控制电路中，上述的第三振荡单元将时钟信号倍频来生成上述的矩形波信号。
第二发明所涉及的共振型转换器控制电路的控制方法，用于控制共振型转换器，以使输出的直流电压成为规定的目标电压，共振型转换器将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出，共振型转换器的驱动控制的各周期具有驱动共振型转换器的驱动期间以及使共振型转换器暂停的暂停期间，控制方法包括：生成具有规定的基本频率的时钟信号的步骤；生成与时钟信号同步的锯齿波信号的步骤；生成具有规定的占空比以及比锯齿波信号的频率高的规定频率的矩形波信号的步骤；通过将锯齿波信号与表示驱动期间与暂停期间的比例的阈值信号进行比较来输出表示驱动期间的比较信号的步骤，比较信号是基于共振型转换器的输出电压与输出电压的目标值即目标电压之间的差电压而生成的；以及计算比较信号与矩形波信号之间的逻辑积，生成作为计算结果的驱动控制信号来驱动控制共振型转换器的步骤。
在上述的共振型转换器控制电路的控制方法中，还包括生成差电压的步骤，所述差电压是通过了对目标电压波形进行补偿以及稳定化的补偿器的电压。
另外，在上述的共振型转换器控制电路的控制方法中，上述的矩形波信号具有50％的占空比。
此外，在上述的共振型转换器控制电路的控制方法中，生成上述的矩形波信号的步骤将上述的时钟信号倍频来生成矩形波信号。
第三发明所涉及的共振型转换器具备上述的共振型转换器控制电路中的任一个，在共振型转换器中，具备主电路，主电路将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的所述交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出。
在上述的共振型转换器中，共振型转换器具备并联连接的多个N个所述主电路、分别控制N个主电路的N个共振型转换器控制电路，N个共振型转换器控制电路分别生成相互具有360/N度的相位差的锯齿波信号。
另外，在上述的共振型转换器中，上述的N个共振型转换器控制电路具备一个第一振荡单元、一个第二振荡单元，N个共振型转换器控制电路中的至少一部分共用第一振荡单元以及第二振荡单元。
发明效果
根据本发明，能够比现有技术精密并且容易地控制共振型转换器的输出电压。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的共振型转换器10的结构例的框图。
图2是示出图1的主电路100的结构例的电路图。
图3是示出图1的共振型转换器控制电路140的结构例的框图。
图4是示出图1的共振型转换器控制电路140的各部中的信号等动作波形的例子的时序图。
图5是示出实施方式2所涉及的共振型转换器10L的结构例的框图。
图6是示出图5的共振型转换器10L的各部中的信号等动作波形的例子的时序图。
具体实施方式
以下基于图面说明本发明所涉及的实施方式。但是，以下说明的各实施方式在所有的点上只是本发明的示例。当然能够在不脱离本发明范围的情况下进行各种改良、变形。即，在实施本发明时，也可以适当地采用与实施方式对应的具体的结构。
(实施方式1)
图1是示出实施方式1所涉及的共振型转换器10的结构例的框图。在图1中，共振型转换器10是共振型DCDC转换器，该共振型DCDC转换器将输入的直流电压转换为交流电压，在使该交流电压经由共振电路120共振后，转换为直流电压并输出。共振型转换器10具备主电路100和共振型转换器控制电路140。主电路100具备开关电路110、共振电路120以及整流平滑电路130。另外，直流电压源5、负荷15以及控制器20与共振型转换器10连接。
在图1中，外部的直流电压源5生成直流电压Vi，并输出至共振型转换器10的开关电路110。另外，控制器20将表示共振型转换器10的输出电压的目标值即目标电压Vd的信号Svd输出至共振型转换器10。共振型转换器10基于表示目标电压的信号Svd，将输入的直流电压Vi转换为直流的输出电压Vo并供给至外部的负荷15。
共振型转换器控制电路140基于主电路100的输出电压Vo以及表示目标电压Vd的信号Svd，生成用于控制主电路100的驱动信号Sdrv并输出至主电路100，从而反馈控制主电路100。由此，主电路100基于来自共振型转换器控制电路140的驱动信号Sdrv，将输入电压Vi转换为输出电压Vo并供给至负荷15。驱动信号Sdrv是本发明的“驱动控制信号”的一个例子。
开关电路110根据来自共振型转换器控制电路140的驱动信号Sdrv来对直流的输入电压Vi进行开关，将由开关生成的交流电压经由共振电路120输出至整流平滑电路130。整流平滑电路130将输入的交流电压整流后进行平滑化，生成直流的输出电压Vo并输出至负荷15。
图2是示出图1的主电路100的结构例的电路框图。在图2中，主电路100是非对称半桥型的LLC转换器。主电路100具有MOSFET111、112、变压器Tr、共振电容器C1、二极管D1、D2以及平滑化电容器C2。
在图2中，MOSFET111、112是n沟道型的MOSFET。MOSFET111、112分别被驱动信号Sdrv驱动，来切换导通的接通断开。在MOSFET111接通期间，MOSFET112被控制为断开，相反在MOSFET111断开期间，MOSFET112被控制为接通。这样，开关电路110根据驱动信号Sdrv来对输入电压Vi进行开关，将由开关生成的交流电压经由共振电路120输出至整流平滑电路130。整流平滑电路130的二极管D1、D2以及平滑化电容器C2将来自共振电路120的交流电压全波整流并平滑化后，将输出电压Vo供给至负荷15。
图3是示出图1的共振型转换器控制电路140的结构例的框图。在图3中，共振型转换器控制电路140具备控制信号生成部150以及驱动信号生成部160。控制信号生成部150包括输出电压检测电路151、比较器152、补偿器153、时钟振荡器154以及共振型转换器用振荡器155。另外，驱动信号生成部160包括突发控制用振荡器161、比值器162、与门163以及驱动电路164。
在图3中，输出电压检测电路151生成与主电路100的输出电压Vo相对应的输出电压信号SVo并输出至比较器152。比较器152比较输出电压信号SVo与来自控制器20的目标电压信号Svd并基于输出电压Vo与目标电压Vd之间的差，例如经由补偿器153，生成表示用于达成目标电压Vd的控制量的阈值信号Sth并输出至比值器162，该补偿器153是低通滤波器，对目标电压波形进行补偿以及稳定化。
时钟振荡器154生成具有规定的基本频率的脉冲信号即时钟信号Sclk并输出至共振型转换器用振荡器155以及突发控制用振荡器161。突发控制用振荡器161生成与时钟信号Sclk同步，并且具有规定的周期Tsaw、规定的最大值Asaw以及为0的最小值的锯齿波信号Ssaw并输出至比值器162。后述锯齿波信号Ssaw的最大值Asaw。
比值器162将锯齿波信号Ssaw与阈值信号Sth比较，生成比较信号Scmp并输出至与门163，该比较信号Scmp在锯齿波信号Ssaw的值为阈值信号Sth的值以下的期间具有高电平、在锯齿波信号Ssaw的值比阈值信号Sth的值大的期间具有低电平。在本说明书中，比较信号Scmp具有高电平的期间被称为驱动期间Pbst，具有低电平的期间被称为暂停期间Pslp。
上述突发控制用振荡器161输出的锯齿波信号Ssaw的最大值Asaw被设定为，在目标电压信号Svd所表示的电压与控制使得共振型转换器10成为最大输出的情况的输出电压Vo相等的情况下，与从补偿器153输出的阈值信号Sth的值相等。由此，比较信号Scmp的占空比等于阈值信号Sth的值相对于锯齿波信号Ssaw的最大值Asaw的比。
共振型转换器用振荡器155将时钟信号Sclk倍频，生成占空比为50％的脉冲信号即矩形波信号Srec并输出至与门163。矩形波信号Srec的频率被设定为锯齿波信号Ssaw的频率的整数倍(例如5倍、8倍或者10倍等)。即，矩形波信号Srec的周期Trec被设定为锯齿波信号Ssaw的周期Tsaw的整数分之一倍(例如五分之一倍、八分之一倍或者十分之一倍等)。例如，也可以是，锯齿波信号Ssaw的频率被设定为10千赫兹，矩形波信号Srec的频率被设定为80千赫兹。共振型转换器发振器155是本发明的“第一振荡单元”的一个例子。
与门163获取比较信号Scmp与矩形波信号Srec的逻辑积来生成门信号Sg，将该门信号Sg输出至驱动电路164。驱动电路164基于门信号Sg，生成驱动信号Sdrv来驱动控制开关电路110。
以下说明如上构成的共振型转换器10的动作。
图4是示出图1的共振型转换器控制电路140的各部中的信号等动作波形的例子的时序图。比值器162比较来自突发控制用振荡器161的锯齿波信号Ssaw与来自补偿器153的阈值信号Sth，生成图4示出的比较信号Scmp。比较信号Scmp具有高电平的期间是驱动期间Pbst，比较信号Scmp具有低电平的期间是暂停期间Pslp。
另外，如图4所示，共振型转换器用振荡器155生成具有规定的周期Trec和50％的占空比的脉冲信号即矩形波信号Srec并输出至与门163。共振型转换器用振荡器155是本发明的“第三振荡单元”的一个例子。
在图4中，与门163的门信号Sg是计算比较信号Scmp与矩形波信号Srec的逻辑积的结果的信号。因此，与门163的门信号Sg是在驱动期间Pbst具有矩形波信号Srec、在暂停期间Pslp总是具有低电平的信号。驱动电路164基于门信号Sg来生成驱动信号Sdrv并输出至主电路100，由此驱动控制主电路100的开关电路110。由此共振型转换器在驱动期间Pbst被矩形波信号Srec控制，在暂停期间Pslp不被驱动而暂停。
比较信号Scmp的占空比表示驱动期间Pbst与锯齿波信号Ssaw的周期Tsaw的比例。另外，阈值信号Sth的值根据输出电压Vo与目标电压Vd之间的差而变化，相应地比较信号Scmp的占空比也变化。由此驱动电路164能够生成驱动信号Sdrv，该驱动信号Sdrv进行控制以补正当前的输出电压Vo与目标电压Vd的差。
例如，在输出电压Vo比目标电压Vd大的情况下，阈值信号Sth的值变得比紧接其之前的值小，比较信号Scmp的占空比减小。因此门信号Sg的驱动期间Pbst变得比紧接其之前的周期短，驱动信号Sdrv中包含的脉冲波的数量减小。因此，主电路100的输出电压Vo被控制得降低以接近目标电压Vd。
如上所述，在本实施方式中，共振型转换器10的驱动控制的各周期具有驱动共振型转换器10的驱动期间Pbst、使共振型转换器10暂停的暂停期间Pslp。在驱动期间Pbst，共振型转换器10被具有规定的占空比的周期性脉冲信号即矩形波信号Srec控制。表示驱动期间Pbst与暂停期间Pslp的比例的阈值信号Sth的值基于输出电压Vo与目标电压Vd之间的差电压而变化。由此共振型转换器10的输出电压Vo被控制以成为目标电压Vd。
通过这样的控制，输出电压Vo的相对于目标电压Vd的误差总是反映在反馈控制中，因此与现有技术相比，能够高精度地进行控制以使共振型转换器10的输出电压Vo成为目标电压Vd。另外，共振型转换器10的驱动控制的周期与输入电压Vi的大小或者负荷15的大小等因素无关而总是固定的。因此，主电路100的输出电压Vo的波纹是周期性的，因此能够容易地预测。如上所述，根据本实施方式，与现有技术相比，能够精密并且容易地进行控制以使共振型转换器10的输出电压Vo成为目标电压Vd。
(实施方式2)
图5是示出实施方式2所涉及的共振型转换器10L的结构例的框图。在图5中，共振型转换器10L与图1的共振型转换器10相比有以下不同点。
(1)共振型转换器10L还具备主电路100A。
(2)共振型转换器10L还具备驱动控制主电路100A的共振型转换器控制电路140A(没有图示)。
(3)与共振型转换器控制电路140的突发控制用振荡器161相比，共振型转换器控制电路140A的突发控制用振荡器161A伴随着偏移了180度的相位而动作。
在图5中，主电路100A具有与主电路100同样的结构以及动作。共振型转换器控制电路140A与共振型转换器控制电路140同样地构成，具备控制信号生成部150和驱动信号生成部160A。与共振型转换器控制电路140共用控制信号生成部150。
图6是示出图5的共振型转换器10L中的信号等动作波形的例子的时序图。
在图6中，与突发控制用振荡器161相比，突发控制用振荡器161A伴随着偏移了180度的相位而动作。因此，锯齿波信号Ssaw与SsawA偏移Tsaw/2而动作。由此，在门信号Sg与SgA之间生成Tsaw/2的偏移。因此，主电路100A的驱动期间相对于主电路100的驱动期间Pbst(没有图示)仅偏移Tsaw/2的定时。由此，两个主电路100、100A的输出电压的波纹彼此生成180度的相位差。在合成的输出电压Vo中，这些波纹相互抵消，因此能够减小因波纹引起的误差，能够比实施方式1进一步高精度地控制。
此外，在实施方式2中，共振型转换器控制电路140以及140A共用控制信号生成部150，但是本发明不限于此，这些也可以不共用。例如，共振型转换器控制电路140A也可以新具备与控制信号生成部150进行相同的动作的控制信号生成部150A。
另外，共振型转换器10L具备两个主电路。然而，本发明不限于此，共振型转换器10L所具备的主电路的数量也可以是三个或者其以上。例如，共振型转换器10L也可以具备并联连接的两个以上的N个主电路、分别控制N个主电路的N个共振型转换器控制电路。在该情况下，N个共振型转换器控制电路可以分别相互伴有360/N度的相位差。另外，N个共振型转换器控制电路中的至少一部分可以相互至少部分地共用其结构要素。
(变形例)
以上，虽然详细说明了本发明的实施方式，但是前述的说明在所有的点上都只不过是本发明的示例。当然能够在不脱离本发明范围的情况下进行各种改良、变形。例如，能够进行如下的变更。此外，以下，对于与上述实施方式同样的结构要素使用同样的符号，对于与上述实施方式同样的点适当地省略说明。以下的变形例能够适当组合。
例如，在实施方式1中，矩形波信号Srec以及锯齿波信号Ssaw与时钟信号Sclk同步。然而，本发明不限于此，只要矩形波信号Srec的频率为锯齿波信号Ssaw的频率的整数倍，矩形波信号Srec以及锯齿波信号Ssaw也可以不与时钟信号Sclk同步。
同样地，在实施方式2中，矩形波信号Srec也可以不与各锯齿波信号Ssaw、SsawA同步。在该情况下，使矩形波信号Srec不与时钟信号Sclk同步地生成。此外，为了获得波纹相互抵消的效果，保持在突发控制用振荡器161、161A之间相位的偏移，因此使锯齿波信号Ssaw与锯齿波信号SsawA相互同步。
另外，在实施方式1中，使用将锯齿波信号Ssaw与阈值信号Sth比较的比值器162来生成比较信号Scmp。同样地，在实施方式2中，使用将锯齿波信号Ssaw、SsawA与阈值信号Sth比较的比值器162、162A来生成比较信号Scmp、ScmpA。这些比较信号Scmp、ScmpA只不过是“表示驱动期间的信号”的一个例子。另外，这些比值器162、162A只不过是用于生成表示驱动期间的信号的“比较单元”的一个例子。因此，本发明不限于此，表示驱动期间的信号只要能够区别驱动期间Pbst与暂停期间Pslp则可以是任何信号。
另外，在实施方式1以及2中，作为主电路100、100A使用LLC转换器。然而，本发明不限于此，在由共振型转换器控制电路控制的主电路中，能够使用例如E2级转换器、φ2级转换器、串联共振型转换器以及并联共振型转换器等主电路。
这样，本领域技术人员能够在本发明的范围内，根据实施方式进行各种改变。
符号说明
5 直流电压源
10、10L 共振型转换器
15 负荷
20 控制器
100、100A 主电路
110、110A 开关电路
120、120A 共振电路
130、130A 整流平滑电路
140、140A 共振型转换器控制电路
150 控制信号生成部
151 输出电压检测电路
152 比较器
153 补偿器
154 时钟振荡器
155 共振型转换器用振荡器
160、160A 驱动信号生成部
161、161A 突发控制用振荡器
162、162A 比值器
163、163A 与门
164、164A 驱动电路

Claims (11)

1.一种共振型转换器控制电路，用于控制共振型转换器，以使输出的直流电压成为规定的目标电压，所述共振型转换器将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的所述交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出，
所述共振型转换器的驱动控制的各周期具有驱动所述共振型转换器的驱动期间以及使所述共振型转换器暂停的暂停期间，
所述共振型转换器控制电路具备：
第一振荡单元，生成具有规定的基本频率的时钟信号；
第二振荡单元，基于所述时钟信号，生成与所述时钟信号同步的锯齿波信号；
第三振荡单元，基于所述时钟信号，生成与所述时钟信号同步的矩形波信号，所述矩形波信号具有规定的占空比以及比所述锯齿波信号的频率高的规定频率；
比较单元，通过将所述锯齿波信号与规定的阈值信号进行比较，输出表示所述驱动期间的比较信号，所述阈值信号表示所述驱动期间与所述暂停期间的比例，并且基于所述共振型转换器的输出电压与所述输出电压的目标值即目标电压之间的差电压而变化；以及
逻辑运算单元，计算所述比较信号与所述矩形波信号之间的逻辑积，生成表示计算结果的驱动控制信号来驱动控制所述共振型转换器。
2.根据权利要求1所述的共振型转换器控制电路，其中，
所述差电压是通过了对目标电压波形进行补偿以及稳定化的补偿器的电压。
3.根据权利要求1所述的共振型转换器控制电路，其中，
所述矩形波信号具有50%的占空比。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的共振型转换器控制电路，其中，
所述第三振荡单元将所述时钟信号倍频来生成所述矩形波信号。
5.一种共振型转换器控制电路的控制方法，用于控制共振型转换器，以使输出的直流电压成为规定的目标电压，所述共振型转换器将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的所述交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出，
所述共振型转换器的驱动控制的各周期具有驱动所述共振型转换器的驱动期间以及使所述共振型转换器暂停的暂停期间，
所述控制方法包括：
生成具有规定的基本频率的时钟信号的步骤；
基于所述时钟信号，生成与所述时钟信号同步的锯齿波信号的步骤；
基于所述时钟信号，生成与所述时钟信号同步的矩形波信号的步骤，所述矩形波信号具有规定的占空比以及比所述锯齿波信号的频率高的规定频率；
通过将所述锯齿波信号与规定的阈值信号进行比较，输出表示所述驱动期间的比较信号的步骤，所述阈值信号表示所述驱动期间与所述暂停期间的比例，并且基于所述共振型转换器的输出电压与所述输出电压的目标值即目标电压之间的差电压而变化；以及
计算所述比较信号与所述矩形波信号之间的逻辑积，生成作为计算结果的驱动控制信号来驱动控制所述共振型转换器的步骤。
6.根据权利要求5所述的共振型转换器控制电路的控制方法，其中，
所述共振型转换器控制电路的控制方法还包括生成差电压的步骤，所述差电压是通过了对目标电压波形进行补偿以及稳定化的补偿器的电压。
7.根据权利要求5所述的共振型转换器控制电路的控制方法，其中，
所述矩形波信号具有50%的占空比。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的共振型转换器控制电路的控制方法，其中，
生成所述矩形波信号的步骤包括将所述时钟信号倍频来生成矩形波信号的步骤。
9.一种共振型转换器，具备权利要求1至4中任一项所述的共振型转换器控制电路，所述共振型转换器具备主电路，所述主电路将输入的直流电压转换为交流电压，在使转换后的所述交流电压经由共振电路共振后，转换为直流电压并输出。
10.根据权利要求9所述的共振型转换器，具备：
并联连接的多个N个所述主电路；以及
分别控制所述N个主电路的N个所述共振型转换器控制电路，
所述N个共振型转换器控制电路分别生成相互具有360/N度的相位差的锯齿波信号。
11.根据权利要求10所述的共振型转换器，其中，
在所述N个共振型转换器控制电路中，具备一个所述第一振荡单元和一个所述第二振荡单元，
所述N个共振型转换器控制电路中的至少一部分共用所述第一振荡单元以及所述第二振荡单元。
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