CN113133332A - 用于dc/dc转换器的控制器 - Google Patents

用于dc/dc转换器的控制器 Download PDF

Info

Publication number
CN113133332A
CN113133332A CN201980003431.4A CN201980003431A CN113133332A CN 113133332 A CN113133332 A CN 113133332A CN 201980003431 A CN201980003431 A CN 201980003431A CN 113133332 A CN113133332 A CN 113133332A
Authority
CN
China
Prior art keywords
operating
transient
converter
operating mode
controller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980003431.4A
Other languages
English (en)
Inventor
殷伟涛
袁权发
张瑞蓬
李天河
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Original Assignee
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI filed Critical Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Publication of CN113133332A publication Critical patent/CN113133332A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/285—Single converters with a plurality of output stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H02M1/096—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices the power supply of the control circuit being connected in parallel to the main switching element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0025—Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
    • H02M3/3376—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

描述了一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数。所述控制器包括判定器模块、比例‑积分‑微分(PID)或比例‑积分(PI)控制模块和瞬态压缩控制模块。判定器模块确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，并被配置为当N个功率级中的至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，在第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式之间切换控制。PID或PI模块在第一稳态操作模式期间调节操作参数。瞬态压缩控制模块在第二瞬态操作模式期间限制操作参数的任何过冲、下冲或不平衡。

Description

用于DC/DC转换器的控制器
技术领域
本发明总体上涉及一种用于DC/DC转换器的控制器、包括这种控制器的DC/DC转换器以及控制DC/DC转换器的方法。
背景技术
DC-DC(DC/DC)转换器通常包括将直流(DC)源从一个操作参数电平转换到另一操作参数电平的电子电路或电气机械装置。通常，操作参数为电压，但是操作参数电平可以是从一个电压电平到另一个电压电平，从一个电流电平到另一个电流电平，或者从一个电压电平到一个电流电平，反之亦然。
DC/DC转换器，尤其是DC/DC功率转换器，通常用于将功率从输入电源转换至负载。在诸如牵引机和电力传输系统的一些技术领域中，存在对低成本、高功率密度和高效率电力转换器的需求。
然而，DC/DC转换器易于出现操作参数瞬态过冲和下冲以及DC/DC转换器的功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡，特别是在负载变化期间。在负载变化期间，面对这样的瞬态不平衡，会很难恢复功率级之间的平衡。通常地，需要利用诸如电解质电容器(e-cap)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的高额定部件的控制电路来处理操作参数电平的瞬态过冲、下冲和不平衡，以防止对DC/DC转换器的损坏。操作参数电平的过冲、下冲和不平衡不仅损害DC/DC转换器的性能，而且它们损害设计低成本和可靠的DC/DC转换器(尤其是低成本和可靠的DC/DC功率转换器)的能力。这是因为处理操作参数电平的过冲、下冲和不平衡所需的控制电路的部件和/或DC/DC转换器本身的部件必须被选择为使得它们被额定为足够高以处理操作参数中的任何峰值。这样的一个结果是，控制电路的部件和/或DC/DC转换器的部件中的多个部件(即便不是全部)的额定值必须显著高于正常稳态操作所需的额定值，结果是DC/DC转换器在尺寸上比所需的要大并且昂贵得多。
CN107947588公开了一种具有自然均压特性的输入-串联-输出-并联(ISOP)DC/DC转换器。该系统包括n个子模块，其中每个子模块包括Boost转换器和LLC谐振转换器，其中n是大于或等于2的自然数。Boost转换器构成前级，LLC谐振转换器构成后级，且Boost转换器的输出作为LLC谐振转换器的输入。两个转换器通过中间总线电容连接，其中n个子模块的Boost转换器的输入端依次串联。输入电压源的正电极与第一Boost转换器的输入正端连接。输入电压源的负电极与第n个Boost转换器的输入负端连接。n个子模块的LLC谐振转换器的输出端并联连接，并且分别与输出电阻的正端和负端连接。ISOP系统的输入均压和输出均流可以被实现。然而，该参考文献没有公开快速限制操作参数瞬态过冲和下冲的任何手段。
US6696825公开了一种DC-DC转换器，其具有与至少一个电源开关协作的脉宽调制(PWM)电路，用于在下限和上限之间的范围内从电源向负载供电，从而控制用于负载的输出电压。转换器还可以包括与PWM电路协作的主反馈控制回路，用于基于正常负载瞬态条件期间的输出电压在下限和上限之间向负载供电。转换器还可以包括与PWM电路协作的至少一个过载反馈控制回路，用于超控主反馈控制回路并且在相应的较快的负载瞬态条件期间基于输出电压在下限和上限其中之一处为负载供电。然而，过载反馈回路充其量在PWM电路的切换频率的大约十分之一处工作，对于至少操作参数过冲具有相对长的校正时间。
US8232786公开了一种控制功率转换器的方法，该功率转换器具有用于向负载供应输出电压和负载电流的至少一个切换装置。该方法包括感测输出电压和感测负载电流。该方法还包括当负载电流的变化率不超过阈值电平时，根据所感测的输出电压和电压控制回路来控制切换装置的占空比。该方法还包括当负载电流的变化率超过阈值电平时，调整切换装置由电压控制回路设置的占空比。然而，该参考文献没有公开快速限制操作参数瞬态过冲和下冲的任何手段。
期望一种限制DC/DC转换器中的操作参数瞬态过冲和/或下冲和/或限制DC/DC转换器中的N个功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡的装置和方法。
发明目的
本发明的一个目的是在一定程度上减轻或消除与控制DC/DC转换器的已知方法相关联的一个或多个问题。
上述目的通过独立权利要求的特征的组合来实现；从属权利要求公开了本发明的其他有利实施例。
本发明的另一个目的是提供一种限制DC/DC转换器中的操作参数瞬态过冲和/或下冲的装置和方法。
本发明的另一目的是提供一种限制DC/DC转换器中的N个功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡的装置和方法。
本发明的又一目的是能够为给定的工作功率设计尺寸减小和/或成本降低的DC/DC转换器。
本领域技术人员将从以下描述导出本发明的其他目的。因此，前面的目的陈述不是穷尽的且仅用来说明本发明的许多目的中的一些。
发明内容
本发明涉及一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数。控制器包括判定器模块、比例-积分-微分(PID)或比例-积分(PI)控制模块和瞬态压缩控制模块。判定器模块确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，并被配置为响应于N个功率级中的一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作条件，在所述第一稳态操作模式和所述第二瞬态操作模式之间切换控制。PID模块或PI模块在所述第一稳态操作模式期间调节操作参数。瞬态压缩控制模块在所述第二瞬态操作模式期间限制操作参数的任何过冲或下冲。附加地或可选地，瞬态压缩控制模块限制DC/DC转换器中的N个功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡。
在第一主要方面，一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数。针对所述N个功率级中的至少一个功率级，所述控制器包括判定器模块和瞬态压缩控制模块。所述判定器模块被配置为确定关于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式。所述瞬态压缩控制模块被配置为提供一个或多个变化控制参数以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。所述瞬态压缩控制模块优选地被配置为在判定器模块从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式时或之后不久被触发。
控制器的前述布置使得判定器模块和/或瞬态压缩控制模块能够以控制器的切换频率或相似进行操作。
在第二主要方面，本发明提供了一种控制具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制方法，其中N是大于或等于2的自然数。所述方法包括以下步骤：针对所述DC/DC转换器的所述N个功率级中的至少一个功率级：确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式；当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作条件时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；以及提供一个或多个变化控制参数，以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。
在第三主要方面，本发明提供了一种DC/DC转换器，包括：N个功率级，其中N是大于或等于2的自然数；以及一控制器。所述控制器包括：一判定器模块，用于确定关于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；以及一瞬态压缩控制模块，其被配置为提供一个或多个变化控制参数以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。
在第四主要方面，本发明提供了一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数，所述控制器包括：一判定器模块，用于确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；一比例-积分-微分(PID)控制模块或比例-积分(PI)控制模块，用于在所述第一稳态操作模式期间调节所述操作参数；以及一瞬态压缩控制模块，用于在所述第二瞬态操作模式期间限制所述操作参数的任何过冲或下冲。
在第五主要方面，本发明提供了一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数，所述控制器包括：一判定器模块，用于确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；一比例-积分-微分(PID)控制模块或比例-积分(PI)控制模块，用于在所述第一稳态操作模式期间调节所述操作参数；以及一瞬态压缩控制模块，用于在所述第二瞬态操作模式期间限制所述N个功率级之间的所述操作参数的电平的不平衡。
本发明的概述不一定公开定义了本发明所必需的所有特征；本发明可以存在于所公开的特征的子组合中。
前面已经相当宽泛地概述了本发明的特征，以便可以更好地理解下面对本发明的详细描述。以下将描述形成本发明的权利要求的主题的本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员将了解，所公开的概念和具体实施例可容易地用作修改或设计用于实施本发明的相同目的的其他结构的基础。
附图说明
本发明的前述和进一步的特征将从以下对优选实施例的描述中变得清晰明了，所述优选实施例仅通过示例结合附图的方式提供，其中：
图1是根据本发明的控制器和包括这种控制器的DC/DC转换器的示意性框图；
图2是示出根据本发明的方法的图1的控制器的操作的流程图；
图3A是示出根据本发明的DC/DC转换器的功率级的操作参数在所述功率级的上操作频带中的变化的信号图；
图3B是示出根据本发明的DC/DC转换器的功率级的操作参数在所述功率级的下操作频带中的变化的信号图；
图3C是示出根据本发明的DC/DC转换器的功率级的操作参数在所述功率级的上操作频带和下操作频带两者中的变化的信号图；
图4是控制器和输入-串联-输出-并联(ISOP)所连接的DC/DC转换器的示意性框图，其中被控制的操作参数是ISOP DC/DC转换器的一个或多个功率级的输入电压；
图5是示出根据本发明的方法的图4的控制器的操作的流程图；
图6A是示出图4的根据本发明的ISOP DC/DC转换器的功率级的输入电压在所述功率级的上操作频带中的变化的信号图；
图6B是示出图4的根据本发明的ISOP DC/DC转换器的功率级的输入电压在所述功率级的下操作频带中的变化的信号图；
图6C是示出图4的根据本发明的ISOP DC/DC转换器的功率级的输入电压在所述功率级的上操作频带和下操作频带两者中的变化的信号图；
图7是用于图4的ISOP DC/DC转换器的控制器的控制模块的具体电路实现的示意框图；
图8是控制器和输入-并联-输出-串联(IPOS)所连接的DC/DC转换器的示意性框图，其中被控制的操作参数是IPOS DC/DC转换器的一个或多个功率级的输出电压；以及
图9是控制器和输入-串联-输出-并联(ISOP)所连接的DC/DC转换器的示意性框图，其中被控制的操作参数是ISOP DC/DC转换器的一个或多个功率级的输出电流。
具体实施方式
以下描述仅作为示例的优选实施例，且不限于用于实现本发明所必需的特征的组合。
在本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意为描述成与该实施例相关的特定特征、结构、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的短语“在一个实施例中”不一定全都指代相同的实施例，也不是与其他实施例相互排斥的单独或替代实施例。此外，还描述了各种特征，这些特征可能呈现在部分实施例中而没有呈现在另一部分实施例中。类似地，还描述了各种需求，这些需求可能对于部分实施例是必需的而对于另一部分则非必需。
应理解，在附图中示出的元件可以以各种形式的硬件、软件或其组合来实现。这些元件在一个或多个适当编程的通用设备上以硬件和软件的组合来实现，该通用设备可以包括处理器、储存器和输入/输出接口。
本说明书阐述了本发明的原理。因此应当理解的是，本领域技术人员将能够设计各种虽然并未在此明确描述或说明但着实体现了本发明之原理且包括在其精神和范围之内的结构布置。
此外，本文中所记载的本发明的原理、方面、实施例，以及其特定示例的所有陈述，均旨在包括其结构和功能等效项。另外，这样的等效项旨在包括全部目前已知等效项以及未来将开发出的等效项，即，开发出的执行相同功能的任意元件，而无论其结构如何。
因此，例如，本领域技术人员将理解的是，这里呈现的框图表示体现本发明原理的系统和设备的概念示图。
在图中示出的各种元件的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，该功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器、或由多个单独处理器(其中的一些可以是共享的)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件，用于存储软件的只读存储器(“ROM”)，随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器。
在其权利要求书中，表达为用于执行指定功能的手段的任何元件旨在包含执行该功能的任何方式，包括，例如，a)执行该功能的电路元件的组合，或b)任何形式的软件，因此包括固件、微码等等，并与用于执行该软件以执行该功能的适当电路组合。用所述权利要求定义的本发明旨在这样一个事实：以权利要求需要的形式，将由不同的所列举的方法提供的功能结合到一起。因此认为任何可以提供那些功能的方式等同于本文所示的方式。
用于DC/DC转换器的已知控制器包括PID控制器。PID控制器使用包括比例、积分和微分控制项的三个控制函数来在DC/DC转换器的稳态操作期间应用精确控制。PID控制器连续地计算期望的操作参数参考电平和被测量的操作参数电平之间的误差值，并且基于比例、积分和微分控制项进行修正。PID控制器尝试通过将控制变量或参数调节到由比例、积分和微分控制项的加权和所确定的新值来最小化随时间的误差。
在本发明的实施例的以下描述中，将参考用于控制DC/DC转换器的至少稳态操作的PID控制器或PI控制器。然而，本领域技术人员将理解的是，在本发明的实施例中，可以采用任何合适的控制器来控制DC/DC转换器的稳态操作，因为本发明总体上包括加到任何这样的合适的控制器的被配置为限制DC/DC转换器中的操作参数瞬态过冲和/或下冲和/或限制DC/DC转换器中的N个功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡的新颖控制装置。根据本发明的新颖控制装置可被实现为硬件、固件和软件中的任何一个或任何组合，这将在下文中更全面地描述。
图1是根据本发明的控制器10和包括这种控制器10的DC/DC转换器100的示意性框图。DC/DC转换器100属于具有表示为“1”至“N”的N个功率级105的类型，其中N是大于或等于2的自然数。DC/DC转换器100优选地属于具有共享输入电压和受控输出电压的类型。DC/DC转换器100可包括处理器110和存储器115，虽然这些是非必需的。DC/DC转换器100的一些功能可以使用逻辑电路和/或被存储在存储器115中用于由处理器110执行的可执行代码/机器可读指令来实现。
控制器10优选地包括表示为“1”至“N”的N个控制模块15，优选地存在用于DC/DC转换器100的N个功率级105中的每一个的控制模块15。至少一个但优选所有的控制模块15包括判定器模块20和瞬态压缩控制模块25。判定器模块20和瞬态压缩控制模块25一起组成根据本发明的新颖的附加控制装置。除了附加的新颖控制装置之外，控制器10可以包括任何传统的DC/DC转换器控制器，例如PID控制器或PI控制器。
在本实施例中，控制器10还设置有PID控制模块或PI控制模块30。PID模块或PI控制模块30可以包括单个PID模块或单个PI模块30。PID模块或PI控制模块30被配置成在第一稳态操作模式期间调节N个功率级中的一个或多个功率级的操作参数。在这方面，PID模块或PI控制模块30以与用于DC/DC转换器的许多已知现有技术控制器一致的方式操作。然而，与现有技术的控制器相比，判定器模块20被配置成确定用于其相应功率级105的第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，并且响应于所述相应功率级105表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作条件的操作参数，在所述第一稳态操作模式和所述第二瞬态操作模式之间切换控制。此外，各个瞬态压缩控制模块25在关于它们各自的功率级105的所述第二瞬态操作模式期间限制操作参数的任何过冲或下冲，和/或限制DC/DC转换器中的所述N个功率级之间的操作参数的电平的瞬态不平衡，这将在下文中更全面地描述。
在一实施例中，控制器10可以包括用于执行其各种功能的多个功能块。例如，控制器10包括N个控制模块15、PID控制模块或PI控制模块30、一个或多个处理器35和一个或多个存储器40。因此，控制器10可以使用逻辑电路和/或存储在控制器10的一个或多个存储器40中由一个或多个处理器35执行的可执行代码/机器可读指令来被实现，从而执行本文所述的功能。例如，可执行代码/机器可读指令可以存储在一个或多个存储器40(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、磁存储器、光存储器等)中，一个或多个存储器40适于存储一个或多个指令集(例如，应用软件、固件、操作系统、小应用程序等)、数据(例如，配置参数、操作参数和/或阈值、被收集的数据、被处理的数据等)等。所述一个或多个存储器40可包括处理器可读存储器，用于与可操作以执行控制模块15的代码段的一个或多个处理器35相关地使用。附加地或可选地，控制器10可包括一个或多个专用处理器(例如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)等)，其被配置为执行如本文中所描述的控制器10的功能。
在此将要描述的另一个实施例中，控制器10可以由模拟电路实现，该模拟电路可以包括用于数字控制的编码。
因此，应当理解，控制器10可以由硬件、固件和软件中的任何一个或任何组合来实现。
参见图2，示出了包括根据本发明的新颖控制装置的控制模块15之一的操作。对于DC/DC转换器100的与所述控制模块15相关联的相应功率级105，操作参数可以包括所述功率级的输入电压、输出电压、输入电流和输出电流中的任何一个。
在第一判定框205处，所述控制模块15的判定器模块20将关于所述功率级105的被测量的操作参数电平与操作参数阈值电平进行比较。操作参数阈值电平可以包括期望的、所选择的或由计算得出的操作参数阈值电平。在判定框205处确定关于所述功率级105的被测量的操作参数电平尚未超过(例如，上升到高于或下降到低于)阈值电平时判定器模块20确定功率级105正在第一稳态操作模式下操作，所述阈值电平取决于功率级参考预设的、由计算得出的或所选择的操作参数参考电平是否于上频带或下频带操作。因此，功率级105的操作参数的控制传递到PID控制模块或PI控制模块30，或属于PID控制模块或PI控制模块30，PID控制模块或PI控制模块30以通常常规的方式在所述第一稳态操作模式期间调节操作参数。然而，如果在判定框205处，判定器模块20确定关于所述功率级105的所测量的操作参数级表现出相对于预定操作极限和/或阈值电平的预定操作条件，则判定器模块20确定功率级105正在第二瞬态操作模式下操作。因此，判定器模块20将功率级105的操作参数的控制传递给瞬态压缩控制模块25。
在第二瞬态操作模式中，瞬态压缩控制模块25产生一个或多个变化控制参数，以通过使所述功率级返回到第一稳态操作模式而使得关于功率级105的所述被测量的操作参数返回到所述阈值之上，即下降到所述阈值之下或上升到所述阈值之上。
瞬态压缩控制模块25优选地在判定器模块从所述第一稳态操作模式切换到所述第二瞬态操作模式时或之后不久被触发。在一些实施例中，功率级105所表现出的预定操作条件可包括所测量的操作参数达到或超过功率级105的操作极限。在其他实施例中，功率级105所表现出的预定操作条件可包括所测量的操作参数达到或超过阈值。
再次参见图2，当瞬态压缩控制模块25正产生一个或多个变化控制参数时，判定器模块20在判定框210处确定所测量的操作参数是否已经返回超过阈值，即，已经下降到低于功率级105在上频带中操作的阈值，或者上升到高于功率级105在下频带中操作的阈值。在判定框210处确定被测量的操作参数已经返回超过阈值的情况下，判定器模块20将操作参数的控制返回到PID控制模块或PI控制模块30，即，判定器模块20从第二瞬态操作模式切换到第一稳态操作模式。因此，该阈值可以被认为是复位阈值。
如果在判定框210处确定所测量的操作参数没有返回超过阈值，则判定器模块20通过继续实施由瞬态压缩控制模块25提供的一个或多个变化控制参数来维持第二瞬态操作模式。第二瞬态操作模式被继续，直到在判定框210处确定所测量的操作参数已经返回超过阈值为止。因此，在第二瞬态操作模式期间，判定器模块20在判定框205处连续地或周期性地做出关于所测量的操作参数是否已经返回超过阈值的判定。
控制器10的前述布置使得判定器模块30和/或瞬态压缩控制模块25能够以控制器10的切换频率进行操作。与现有技术的控制器相比，这提供了快速动态响应。由于本发明的方法在计算上是高效的，即不需要复杂的数学计算，因此即使在具有非常高和固定的切换频率的情况下，也可以实现逐周期的操作参数共享，例如功率级之间的电压共享。此外，可以在瞬态和稳态模式下平衡操作参数，而不受切换频率的限制。
图3A是示出当根据图2的流程图进行控制时在所述功率级105的上操作频带中所测量的操作参数的变化的信号图。所测量的操作参数由曲线310表示。功率级105的上操作频带的范围从操作参数参考电平到功率级105的上操作极限。阈值或复位阈值可根据经验数据预先确定、选择或计算，并且对于上操作频带，阈值或复位阈值具有大于操作参数参考电平但小于上操作极限的值。
在图3A所描述的情形中，所测量的操作参数最初在功率级105的第一稳态操作模式内，如曲线310A所描绘。在上升到如曲线310B所描绘的复位阈值以上时，所测量的操作参数通过复位阈值且进入第二稳态操作模式的范围。然而，判定器模块20将根据操作参数的预定条件的选定值或计算值做出从第一稳态操作模式切换到第二瞬态操作模式的判定。这样，从第一稳态操作模式到第二瞬态操作模式的切换可能不会立即发生被测量的操作参数上升到高于复位阈值，而实际上优选地在被测量的操作参数电平等于或刚好超过上操作极限时被触发。因此，在后一种情况下，预定条件被设置在功率级105的上操作极限。
在达到上操作极限时，判定器模块20将操作模式从第一稳态模式切换到第二瞬态模式，由此瞬态压缩控制模块25产生一个或多个变化控制参数，以使功率级105的所述所测量的操作参数返回超过复位阈值，如图3A中的线310C所示。一旦功率级105的被测量的操作参数返回超过复位阈值，判定器模块20就将被测量的操作参数的控制返回到PID控制模块或PI控制模块30，如线310D所描绘。线310E、F、G示出了前述控制步骤的重复，直到被测量的操作参数返回到第一稳态操作模式。
优选地，瞬态压缩控制模块25被配置为使得当功率级105的被测量的操作参数表现出所述预定操作条件时，一个或多个变化控制参数使得从所述DC/DC转换器100的初级侧流向次级侧的功率增加。优选地，瞬态压缩控制模块被配置为使得最大功率从所述DC/DC转换器100的初级侧流向次级侧，直到功率级105的被测量的操作参数返回超过复位阈值。
图3B是类似于图3A的信号图，但为针对根据图2的流程图控制时功率级105的下频带中的测量操作参数。下频带的范围从操作参数参考电平到功率级105的下操作极限。在本实施例中，所测量的操作参数由曲线310’表示。下频带复位阈值具有小于操作参数参考电平但大于上操作极限的值。
在图3B所描绘的情形中，被测量的操作参数最初处于功率级105的第一稳态操作模式内，如曲线310’A所描绘。当如曲线310’B所示降低到复位阈值以下时，被测量的操作参数通过复位阈值并进入下频带第二稳态操作模式的范围。在本实施例中，当所测量的操作参数电平等于或刚好低于下操作极限时，判定器模块20做出从第一稳态操作模式切换到第二瞬态操作模式的判定。因此，在本实施例中，预定条件被设置在功率级105的下操作极限。
在达到下操作极限时，判定器模块20将操作模式从第一稳态模式切换到第二瞬态模式，借此瞬态压缩控制模块25产生一个或多个变化控制参数以使得功率级105的所述被测量的操作参数返回超过复位阈值，如图3B中的线310’C所描绘。一旦功率级105的被测量的操作参数返回超过复位阈值，判定器模块20就将被测量的操作参数的控制返回到PID控制模块或PI控制模块30，如线310’D所示。线310’E、F、G示出了前述控制步骤的重复，直到被测量的操作参数返回到第一稳态操作模式。
优选地，瞬态压缩控制模块25被配置为使得当关于功率级105的被测量的操作参数表现出所述预定操作条件时，一个或多个变化控制参数使得从所述DC/DC转换器100的初级侧流向次级侧的功率减小。优选地，瞬态压缩控制模块25被配置为使得最小功率从所述DC/DC转换器100的初级侧流向次级侧，直到功率级105的被测量的操作参数返回超过下频带复位阈值。
图3C是示出当根据图2的流程图控制时所述功率级105的上操作频带和下操作频带两者中的操作参数的信号图。
在图3C所描绘的情形中，所测量的操作参数最初在功率级105的下频带中的第一稳态操作模式内，如曲线315’A所描绘。当如曲线315’B所示降低到低于下复位阈值时，被测量的操作参数通过下复位阈值并进入下频带中的第二稳态操作模式的范围。在本实施例中，当所测量的操作参数电平等于或刚好低于下操作极限时，判定器模块20做出从用于下频带的第一稳态操作模式切换到第二瞬态操作模式的判定。因此，在本实施例中，用于下频带的预定条件被设置在功率级105的下工作极限。
在达到下操作极限时，判定器模块20将操作模式从第一稳态模式切换到第二瞬态模式，借此瞬态压缩控制模块25产生一个或多个变化控制参数以使得功率级105的所述被测量的操作参数返回超过(即上升到高于)由线315’C所描绘的下复位阈值。一旦功率级105的被测量的操作参数返回超过下复位阈值之上，判定器模块20就将被测量操作参数的控制返回到PID控制模块或PI控制模块30，如线315’D所示。
当被测量的操作参数上升到操作参数参考电平之上时，其进入如线315D所描绘的上频带中的稳态操作模式的范围。在上升到如曲线315E所描绘的上复位阈值以上时，被测量的操作参数通过上复位阈值且进入上频带中的第二稳态操作模式的范围。当所测量的操作参数电平等于或刚好超过上操作极限时，判定器模块20做出从第一稳态操作模式切换到第二瞬态操作模式的判定。因此，在本实施例中，用于上频带的预定条件被设置在功率级105的上操作极限。
在达到上操作极限时，判定器模块20将操作模式从第一稳态模式切换到第二瞬态模式，借此瞬态压缩控制模块25产生一个或多个变化控制参数以使得功率级105的所述被测量的操作参数返回超过(即下降到)线315f所示的上复位阈值。一旦功率级105的测量的操作参数返回超过上复位阈值，即低于上复位阈值，判定器模块20就将被测量的操作参数的控制返回到PID控制模块或PI控制模块30，如线315G所示。
在DC/DC转换器100属于具有共享输入电压和受控输出电压的类型的情况下，控制器10的判定器模块20被配置为当所述瞬态压缩控制模块25提供所述一个或多个变化控制参数时超控共享输入电压和受控输出电压中的一个或两个。
图4是根据本发明的用于控制输入-串联-输出-并联(ISOP)连接的DC/DC转换器的控制器的另一个实施例的示意性框图，其中被控制的操作参数是ISOP DC/DC转换器的一个或多个功率级的输入电压(Vcap_1...n)。ISOP转换器是用于中高电压应用(例如牵引发动机和动力传输系统)的高效且可靠的转换器，但是对于用于高功率密度和高效率的低电压应用，ISOP转换器正被越来越多地考虑。
如图4所示的ISOP DC/DC转换器400包括N个功率级405和控制器450。控制器450包括N个控制模块455和一个PID控制模块或PI控制模块460。
对于ISOP DC/DC转换器400的稳态操作，PID控制模块或PI控制模块460连续地计算至少一个功率级405的期望输出电压电平“Vo_ref”与所述至少一个功率级405的测量输出电压电平“Vo”之间的误差值，以便基于PID控制模块或PI控制模块的控制项进行修正。PID控制模块或PI控制模块460尝试通过将控制变量或参数调节到由PID/PI控制项的加权和所确定的新值来最小化随时间的误差。
控制器450与常规控制器的不同之处在于，每个控制模块455包括判定器模块(“PID/TVCC判定器”)465和瞬态压缩控制模块(“TVCC”)470，在其他方面控制器450具有常规控制布置。在本实施例中，控制器450优选地被配置成根据图5的控制流程图和图6A-C的信号图来控制上频带和下频带两者中的相应功率级405。
以第N个功率级(功率级N)405为例，其相应的控制模块455接收作为输入的作为操作参数的被测量的输入电压Vcap_n。对于功率级405的稳态操作模式，PID模块或PI控制模块460以已知方式提供稳态调节。
参见图5，在第一判定框505处，判定器模块465将所测量的输入电压Vcap_n(也称为“Vin”)与功率级405的上操作频带的上电压阈值或复位阈值1进行比较。如果在判定框505处确定Vin不大于或等于复位阈值1，那么在判定框510处，判定器模块465将所测量的输入电压Vin与功率级105的下操作频带的下电压阈值或复位阈值2进行比较。如果在判定框510处确定Vin不小于或等于复位阈值2，那么判定器模块465将控制传递到PID控制模块或PI控制模块460或由PID控制模块或PI控制模块460维持控制，PID控制模块或PI控制模块460以通常常规的方式调节稳态操作模式。
然而，如果在判定框505处作出Vin大于或等于复位阈值1的确定，那么判定器模块465确定功率级405正在上频带中的第二瞬态操作模式中操作。因此，判定器模块465将功率级405的上操作频带的控制传递给瞬态压缩控制模块470。在本实施例中，当所测量的输入电压Vin等于或超过功率级405的上操作电压(Vub)时，由判定器模块465触发从第一稳态操作模式到第二瞬态操作模式的切换。因此，本实施例中用于触发瞬态压缩控制模块470在上操作频带中的操作的预定条件是功率级405的上操作电压极限。然而，应理解的是，预定条件可包括其他条件，例如当所测量的输入电压Vin等于或刚好超过复位阈值1时。然而，优选地使用包括功率级405的上操作电压极限的预定条件，因为这为瞬态压缩控制模块470提供时间以将控制带到瞬态操作模式，同时避免在两个操作模式之间的间歇切换，这在预定条件被设置为等于或刚好高于复位阈值1的电平时更为可能。
响应于被触发，瞬态压缩控制模块470生成一个或多个上频带变化控制参数以使得被测量的输入电压Vin减小。在判定框515处，判定器模块465确定Vin是否已减小到足以通过复位阈值1以下。如果是，则判定器模块465将控制传递回PID模块或PI控制模块460。如果否，则判定器模块465维持瞬态压缩控制模块470的操作以继续生成一个或多个上频带变化控制参数。判定器模块465连续地或周期性地重复判定框515处的确定，直到Vin确实降低到复位阈值1以下，此时PID控制模块或PI控制模块460的稳态控制重新开始。
在判定框505处判定Vin不大于或等于复位阈值1的情况下，而在判定框510处判定Vin等于或小于复位阈值2的情况下，判定器模块465确定功率级405正在关于下频带的第二瞬态操作模式中操作。因此，判定器模块465将功率级405的下操作频带的控制传递给瞬态压缩控制模块470。在本实施例中，当所测量的输入电压Vin等于或小于功率级405的下操作电压(Vlb)时，由判定器模块465触发从第一稳态操作模式到第二瞬态操作模式的切换。因此，在本实施例中，用于触发瞬态压缩控制模块470在下操作频带中的操作的预定条件优选地是功率级405的下操作电压极限。
响应于被触发，瞬态压缩控制模块470生成一个或多个下频带变化控制参数以使得被测量的输入电压Vin增加。在判定框520处，判定器模块465确定Vin是否已增加到足以超过复位阈值2。如果是，则判定器模块465将控制传递回PID模块或PI控制模块460。如果否，则判定器模块465维持瞬态压缩控制模块470的操作以继续生成一个或多个下频带变化控制参数。判定器模块465连续地或周期性地重复判定框520处的确定，直到Vin确实增加到复位阈值2以上，此时PID控制模块或PI控制模块460的稳态控制重新开始。
应当理解，判定框505和510可以互换，从而先针对下频带阈值测试所测量的操作参数，然后针对上频带阈值测试所测量的操作参数。
还将理解，尽管瞬态压缩控制模块470在图5中被示出为包括两个部分，但是其优选地包括单个功能块或电路。
对于上频带，瞬态压缩控制模块470生成一个或多个上频带变化控制参数以使得被测量的输入电压Vin减小。这是通过在Vin表现出所述预定上频带操作条件时使功率从ISOP DC/DC转换器400的初级侧流向次级侧而实现的。优选地，对于上频带，瞬态压缩控制模块使最大功率从ISOP DC/DC转换器400的初级侧流向次级侧。
对于下频带，瞬态压缩控制模块470生成一个或多个下频带变化控制参数以使得被测量的输入电压Vin增加。这是通过在Vin表现出所述预定下频带操作条件时使功率从ISOP DC/DC转换器400的初级侧流向次级侧而实现的。优选地，对于下频带，瞬态压缩控制模块使最小功率从ISOP DC/DC转换器400的初级侧流向次级侧。
在本实施例和其他实施例中，参考电压Vref(图6A-C)优选地包括用于功率级的DC/DC转换器中的标称DC链路电压。Vref是DC/DC转换器将被控制到的参考电压。例如，如果Vref＝100v，这意味着DC/DC转换器的输出/输入电压将被控制到100V。在考虑部件容限和温度效应时，优选地以一电压等级高于Vref值的MOSFET和电容器的某一电压(工作参数)裕度(例如20％)设置上工作频带极限。复位阈值1优选地以比稳态下的Vref高的某一电压裕度(例如20％)设置在上操作频带极限和Vref之间，以避免与容许电压纹波和电压调节的精度重叠。复位阈值2优选地以比稳态下的最小功率级电压低的某一电压裕度(例如20％)设置在下操作频带极限和Vref之间。下频带操作极限优选地以比系统输入电压除以功率级的数量低的某一电压裕度(例如20％)设置。
在ISOP DC/DC转换器400包括LLC转换器的情况下，变化控制参数优选地包括转换器切换频率。在ISOP DC/DC转换器400包括相移转换器的情况下，变化控制参数优选地包括相移角。在ISOP DC/DC转换器400包括DAB转换器或全桥转换器的情况下，变化控制参数优选地包括转换器的占空比。
在所有的实施例中，判定器模块优选地被配置成操纵DC/DC转换器的脉宽调制(PWM)发生器的输入以生成用于所有开关元件的PWM信号，从而实现本发明的方法的前述步骤。因此，判定器模块被配置为触发PWM发生器产生PWM信号，以通过PID控制模块或PI控制模块实现关于稳态操作模式的PID/PI控制，并且，关于瞬态操作模式，(i)触发PWM发生器产生PWM信号以针对上频带瞬态操作模式最大化从转换器的初级侧到次级侧的功率流，以及(ii)触发PWM发生器产生PWM信号以针对下频带瞬态操作模式最小化从转化器的初级侧到次级侧的功率流。
图6A是示出在根据图5的流程图控制的上操作频带中的图4的ISOP DC/DC转换器400的示例性功率级405的输入电压Vcap_n(Vin)的变化的信号图。线610A、C、E表示DC/DC转换器在PID/PI控制下的操作，而线610B、D表示DC/DC转换器在针对上频带控制的瞬态压缩控制模块影响下的操作。
图6B是示出在根据图5的流程图控制的下操作频带中的图4的ISOP DC/DC转换器400的示例性功率级405的输入电压Vcap_n(Vin)的变化的信号图。线610’A、C、E表示DC/DC转换器在PID/PI控制下的操作，而线610’B、D表示DC/DC转换器在针对上频带控制的瞬态压缩控制模块影响下的操作。
图6C是示出在根据图5的流程图控制的上操作频带和下操作频带两者中的图4的ISOP DC/DC转换器400的示例性功率级405的输入电压Vcap_n(Vin)的变化的信号图。线615A、C、E、G、I表示DC/DC转换器在PID/PI控制下的操作，而线615B、D表示DC/DC转换器在针对下频带控制的瞬态压缩控制模块影响下的操作，线615F、H表示DC/DC转换器在针对上频带控制的瞬态压缩控制模块影响下的操作。
图6A-C中所示的电压电平用于具有负载变化在3％和100％之间的88V的目标功率级输入电压。使用由Xinbo Ruan、Wu Chen、Lulu Cheng、Chi K.Tse、Hong Yan和Tao Zhang教导的现有技术解决方案，“用于输入-串联-输出-并联转换器的控制策略(ControlStrategy for Input-Series–Output-Parallel Converters)”，IEEE TRANSACTIONS ONINDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.56,NO.4,pp.1174-1185,APRIL 2009，其中，对于相同的目标功率级输入电压和负载变化，需要使用额定在200V的e-cap或也额定在200V的MOSFET，而本发明仅需要最高额定在160V的e-cap或最高额定在160V的MOSFET。这样的意义在于由根据本发明的控制器和DC/DC转换器的较低额定部件表现的成本的显著降低。
图7是用于图4的ISOP DC/DC转换器400的控制器450的控制模块455的特定和简单模拟电路500实现的示意框图。当包括用于控制模拟电路500的数字编码时，不需要感测电路和额外的部件。具有或不具有数字编码的模拟电路500也可以用作根据本发明的控制器的其他实施例的控制模块。
图8是根据本发明的用于控制输入-并行-输出-串联(IPOS)连接的DC/DC转换器600的控制器的另一个实施例的示意性框图，其中被控制的操作参数是IPOS DC/DC转换器600的一个或多个功率级的输出电压(Vo_1...n)。图8的控制器650的配置与图4的配置相同，除了每个控制模块655接收IPOS DC/DC转换器600的功率级605中的各个功率级的作为输入的作为操作参数的被测量的输出电压(Vo_1...n)之外的事实。在所有其他方面，控制器650根据图5的控制流程操作，但其中将功率级605中的每一相应功率级的被测量的输出电压(Vo_1...n)与相关联的上频带阈值(复位阈值1)和相关联的下频带阈值(复位阈值2)进行比较。
图9是根据本发明的用于控制ISOP连接的DC/DC转换器700的控制器的另一实施例的示意性框图，其中被控制的操作参数是ISOP DC/DC转换器700的一个或多个功率级的输出电流(Io_1...n)。图9的控制器750的配置与图4的配置相同，除了每个控制模块755接收ISOP DC/DC转换器700的功率级705中的各个功率级的作为输入的作为操作参数的被测量的输出电流(Io_1...n)之外的事实。在所有其他方面，控制器750根据图5的控制流程操作，但其中将功率级705中的每一相应功率级的被测量的输出电流(Io_1...n)与相关联的上频带阈值(复位阈值1)和相关联的下频带阈值(复位阈值2)进行比较。
另一实施例(未示出)，其中根据本发明的控制器被配置用于控制IPOS连接的DC/DC转换器，其中被控制的操作参数是IPOS DC/DC转换器的一个或多个功率级的输入电流(Ii_1...n)。控制器的配置与图4的配置相同，除了每个控制模块接收IPOS DC/DC转换器的功率级中的各个功率级的作为输入的作为操作参数的被测量的输入电流(Ii_1...n)之外的事实。在所有其他方面，控制器根据图5的控制流程操作，但其中将功率级中的每一相应功率级的被测量的输入电流(Ii_1...n)与相关联的上频带阈值(复位阈值1)和相关联的下频带阈值(复位阈值2)进行比较。
上述装置可以至少部分地以软件实现。本领域技术人员将理解的是，上述装置可以至少部分地使用通用计算机设备或使用定制设备来实现。
这里，在此所描述的方法和装置的各方面可以在包括通信系统的任何装置上执行。该技术的程序方面可以被认为是通常以代码和/或相关数据表示的“产品”或“制品”，这些代码和/或数据由机器可读介质携带或体现。“存储”型介质包括任何或所有的移动站、计算机、处理器或类似器件、或相关模块的存储器，例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或类似驱动器，“存储”型介质可在任何时间提供用于软件编程的存储。整个软件或部分有时可通过因特网或各种其它通信网络进行通信。例如，该通信可使得软件的负载从一计算机或处理器转移到另一计算机或处理器上。因此，可承载软件组件的另一类型的介质包括穿过有线、光陆上通信网络以及各种无线线路的光波、电波或电磁波，例如，本地设备之间使用的跨物理接口。携带这些波的物理组件(例如，有线或无线线路、光链路或类似链路)也可以被认为是承载软件的介质。如这里使用的，除非限定为有形非临时性“存储”介质，术语例如计算机或机器“可读介质”可以是将指令提供给处理器用于执行的任何介质。
尽管在附图和上述说明中已经对本发明进行了详细地阐述和说明，但这些阐述和说明在特征上应当视为示例性的而非限制性的，应当理解的是，所示出和描述的实施例仅是作为示例，而并不以任何方式限制本发明之范围。可以理解的是，在此所描述的任何特征均可与任意实施例一起使用。所阐述的实施例并非彼此排斥，也不排斥未在此述及的其他实施例。相应地，本发明还提供包括上述实施例中的一个或多个组合的实施例。在不脱离本发明之精神和范围的条件下，还可以对本文所阐述的发明进行修改和变化。因此，应当仅根据所附权利要求所指示的那样对本发明施行限制。
除非在上下文中处于语言表达或必要含义而另有要求，否则在本发明说明书之后的权利要求中，词语“包括”或者其变型“包含”或“含有”等均为包容性词义，即意在具体说明所述特征的存在，但不排除本发明的各种实施例中其他特征的存在或增添。
应当理解的是，如果本文中引用了任何现有技术的公开文档，这样的引用并非就此认为这些公开文档即为本领域中的公知常识。

Claims (21)

1.一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数，针对所述N个功率级中的至少一个功率级，所述控制器包括：
一判定器模块，用于确定(i)关于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的第一稳态操作模式和(ii)关于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；以及
一瞬态压缩控制模块，其被配置为当所述判定器模块从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式时被触发，所述瞬态压缩控制模块被配置为提供一个或多个变化控制参数以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述DC/DC转换器是具有共享输入电压和受控输出电压的类型，并且其中，所述判定器模块被配置为当所述瞬态压缩控制模块提供所述一个或多个变化控制参数时超控所述共享输入电压和所述受控输出电压中的一个或两个。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，当所述瞬态压缩控制模块使得所述DC/DC转换器的所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值时，所述判定器模块被配置为从所述第二瞬态操作模式切换控制到所述第一稳态操作模式。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器包括用于所述DC/DC转换器的所述N个功率级中的每一个的判定器模块和瞬态压缩控制模块。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数包括输入电压、输出电压、输入电流，以及输出电流中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器包括比例-积分-微分(PID)或比例-积分(PI)控制模块，用于在所述第一稳态操作模式下操作时控制所述DC/DC转换器。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述瞬态压缩控制模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数表现出所述预定操作条件时，提供一个或多个变化控制参数以使得从所述DC/DC转换器的初级侧流向次级侧的功率增加。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述瞬态压缩控制模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数表现出所述预定操作条件时，提供一个或多个变化控制参数以使得最大功率从所述DC/DC转换器的初级侧流向次级侧。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数的所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值由所述操作参数的上复位电平限定，其中所述上复位电平大于所述操作参数的参考电平并且小于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的上操作极限。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述预定操作条件包括所述N个功率级中的所述至少一个功率级的上操作极限。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述瞬态压缩控制模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数表现出所述预定操作条件时，提供一个或多个变化控制参数以使得从所述DC/DC转换器的初级侧流向次级侧的功率减小。
12.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述瞬态压缩控制模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数表现出所述预定操作条件时，提供一个或多个变化控制参数以使得最小功率从所述DC/DC转换器的初级侧流向次级侧。
13.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数的所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值由所述操作参数的下复位电平限定，其中所述下复位电平小于所述操作参数的参考电平并且大于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的下操作极限。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中，所述预定操作条件包括所述N个功率级中的所述至少一个功率级的下操作极限。
15.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述判定器模块和/或所述瞬态压缩控制模块以所述控制器的切换频率进行操作。
16.一种控制具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制方法，其中N是大于或等于2的自然数，所述方法包括以下步骤：
针对所述DC/DC转换器的所述N个功率级中的至少一个功率级：
确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式；
当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作条件时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；以及
提供一个或多个变化控制参数，以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。
17.一种DC/DC转换器，包括：
N个功率级，其中N是大于或等于2的自然数，以及
一控制器，
其中，针对所述N个功率级中的至少一个功率级，所述控制器包括：
一判定器模块，用于确定关于所述N个功率级中的所述至少一个功率级的第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；以及
一瞬态压缩控制模块，其被配置为当所述判定器模块从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式时被触发，所述瞬态压缩控制模块被配置为提供一个或多个变化控制参数以使得所述N个功率级中的所述至少一个功率级的所述操作参数返回超过所述预设的、由计算得出的或所选择的阈值。
18.根据权利要求17所述的DC/DC转换器，其中，所述DC/DC转换器包括输入-串联-输出-并联(ISOP)所连接的DC/DC转换器或输入-并联-输出-串联(IPOS)所连接的DC/DC转换器。
19.根据权利要求17所述的DC/DC转换器，其中，所述DC/DC转换器包括LLC、相移、双有源桥(DAB)或全桥DC/DC转换器。
20.一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数，所述控制器包括：
一判定器模块，用于确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；
一比例-积分-微分(PID)或比例-积分(PI)控制模块，用于在所述第一稳态操作模式期间调节所述操作参数；以及
一瞬态压缩控制模块，用于在所述第二瞬态操作模式期间限制所述操作参数的任何过冲或下冲。
21.一种用于具有N个功率级的类型的DC/DC转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数，所述控制器包括：
一判定器模块，用于确定第一稳态操作模式和第二瞬态操作模式，所述判定器模块被配置为当所述N个功率级中的所述至少一个功率级的操作参数表现出相对于预定操作极限和/或预设的、由计算得出的或所选择的阈值的预定操作模式时，从所述第一稳态操作模式切换控制到所述第二瞬态操作模式；
一比例-积分-微分(PID)或比例-积分(PI)控制模块，用于在所述第一稳态操作模式期间调节所述操作参数；以及
一瞬态压缩控制模块，用于在所述第二瞬态操作模式期间限制所述N个功率级之间的所述操作参数的电平的不平衡。
CN201980003431.4A 2019-11-15 2019-11-18 用于dc/dc转换器的控制器 Pending CN113133332A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/684,824 2019-11-15
US16/684,824 US10848066B1 (en) 2019-11-15 2019-11-15 Controller for a DC/DC converter
PCT/CN2019/119123 WO2021092971A1 (en) 2019-11-15 2019-11-18 Controller for dc/dc converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113133332A true CN113133332A (zh) 2021-07-16

Family

ID=73462211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980003431.4A Pending CN113133332A (zh) 2019-11-15 2019-11-18 用于dc/dc转换器的控制器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10848066B1 (zh)
CN (1) CN113133332A (zh)
WO (1) WO2021092971A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115765461A (zh) * 2021-09-03 2023-03-07 台达电子企业管理（上海）有限公司 功率变换器及其控制方法
CN114709811B (zh) * 2022-06-06 2022-09-23 国网江西省电力有限公司南昌供电分公司 一种光伏直流汇集系统中ipos级联结构模块控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6052298A (en) * 1999-03-03 2000-04-18 Peco Ii, Inc. Inverter input noise suppression circuit
US20090309561A1 (en) * 2008-06-17 2009-12-17 National Taiwan University Dual mode transient recovery control method of dc-dc converters
US20170179822A1 (en) * 2015-12-16 2017-06-22 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-Threshold Panic Comparators for Multi-Phase Buck Converter Phase Shedding Control
CN107947588A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 南京航空航天大学 具有自然均压特性的isop系统及其控制方法
US20190348912A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-14 Nxp B.V. Fast transient load response device for switched-mode power supply

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6696825B2 (en) 2002-03-18 2004-02-24 Intersil Americas Inc. DC-to-DC converter with fast override feedback control and associated methods
US7239257B1 (en) 2005-10-03 2007-07-03 Zilker Labs, Inc. Hardware efficient digital control loop architecture for a power converter
US8274265B1 (en) * 2007-02-28 2012-09-25 Netlogic Microsystems, Inc. Multi-phase power system with redundancy
US8232786B2 (en) * 2007-09-28 2012-07-31 Astec International Limited Fast transient step load response in a power converter
CN104638895B (zh) 2015-02-02 2017-02-01 华中科技大学 一种llc谐振变换器的限流方法及电路
US9606559B2 (en) * 2015-08-25 2017-03-28 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-phase switching converter with phase shedding
CN105186883A (zh) 2015-11-06 2015-12-23 国网上海市电力公司 一种isop变换器系统的控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6052298A (en) * 1999-03-03 2000-04-18 Peco Ii, Inc. Inverter input noise suppression circuit
US20090309561A1 (en) * 2008-06-17 2009-12-17 National Taiwan University Dual mode transient recovery control method of dc-dc converters
US20170179822A1 (en) * 2015-12-16 2017-06-22 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-Threshold Panic Comparators for Multi-Phase Buck Converter Phase Shedding Control
CN107947588A (zh) * 2017-12-05 2018-04-20 南京航空航天大学 具有自然均压特性的isop系统及其控制方法
US20190348912A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-14 Nxp B.V. Fast transient load response device for switched-mode power supply

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021092971A1 (en) 2021-05-20
US10848066B1 (en) 2020-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9048686B2 (en) Power supply system, controller therefor, and method of manufacture of controller
US10763740B2 (en) Switch off time control systems and methods
US10305373B2 (en) Input reference signal generation systems and methods
US20120286750A1 (en) Switching regulators with adaptive clock generators and associated methods of control
US10277115B2 (en) Filtering systems and methods for voltage control
CN107659147B (zh) 用于开关变换器的过流情况下的输出电压控制
CN111106739B (zh) 多相位电源降压系统
CN107885269B (zh) 使用不同的主-从电流共享模式的控制电路
US20150102787A1 (en) Battery discharge circuit and discharge method with over discharge protection
US10778101B1 (en) Switching regulator controller configuration parameter optimization
US9893613B1 (en) DC/DC converter
CN113133332A (zh) 用于dc/dc转换器的控制器
US20190393772A1 (en) Voltage regulator voltage overshoot look-back
CN112787506A (zh) 带有分段线性负载线的电压调制器
CN113169668A (zh) 调压器控制系统和方法
CN109921627B (zh) 用于限制开关转换器中的电磁干扰的装置和方法
US8817490B2 (en) DC-DC converter
US20170063121A1 (en) Digital Temperature Control for Power Supply Devices
JP6522115B2 (ja) スイッチング電源におけるデッドタイム制御の方法及び装置
EP3443654B1 (en) Filtering systems and methods for voltage control
US11635780B2 (en) Maximum power point tracking apparatus for energy harvesting system and maximum power point tracking control method
JP7132303B2 (ja) Ｄｃ－ｄｃレギュレータにおける負荷ダンプトランジェントの軽減のためのインダクタ電流シャント
JP7379103B2 (ja) 直流電圧変換回路、その駆動制御方法及び駆動制御プログラム
JP2019068526A (ja) コンバータシステム
CN111641338B (zh) 环路响应控制电路以及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40048127

Country of ref document: HK