CN1244197C - 受控自振荡调制器及应用这种调制器的电能变换系统 - Google Patents

Abstract

受控振荡调制器，包括比较器和脉冲调制功率放大级，以及高阶振荡环路，所述振荡环路包括第一反馈装置(21)和第一前馈装置(22)保证稳定的振荡条件。调制器的特征在于，电流测量装置，用于测量所述功率放大级向与调制器连接的负载(5)提供的电流(i_L)，所述测量值提供给所述第一反馈装置(21)，所述第一反馈装置(21)具有用于根据所述测量值(i_L)产生所述第一反馈信号的传递函数，并且所述第一前馈装置(21)具有根据所述第一反馈装置产生所述调制信号的传递函数。应用为具有电感负载的精确的通用DC-DC和DC-AC电能变换器。在一个优选实施例中是电流反馈的精确传输跨导放大器。在另一个优选实施例中受控振荡调制器实现音频放大用精确电压功率放大器。

Description

受控自振荡调制器及应用这种调制器的电能变换系统

技术领域

本发明涉及一种自振荡调制器，所述调制器包括比较器和脉冲调制功率放大级，以及高阶振荡环路，所述振荡环路包括第一反馈装置和第一前馈装置保证稳定的振荡条件，其中所述的第一反馈装置安排得向所述第一前馈装置提供第一反馈信号，所述第一前馈装置安排用于向所述比较器提供调制信号。

本发明还涉及一种使用这种调制器的开关电源变换系统，诸如DC-AC(例如音频放大)、DC-DC或AC-AC变换系统。本发明可以有利地在任何系统中改善电能变换，尤其是在精密DC-AC变换系统中用作高效率音频放大。

背景技术

脉冲调制器是所有电能变换系统的中心要件。多数开关电源变换器都以脉冲宽度调制(PWM)为基础作控制域间(直流或交流)有效转换的手段。

典型的电能变换器包括PWM调制器、开关电源变换级、滤波器和控制系统。这种类型的现有技术系统说明于美国专利4724396(1988)和Attwood先生1983年9月发表在AES杂志842-853页上的论文。然而PWM也具有一系列领域内公知的主要由实现载波发生所产生的缺点。这限制了系统带宽并且使设计复杂。还有难于达到稳定而牢靠的系统设计。

为了克服这些缺点，在本申请人的国际专利申请PCT/DK97/00497中介绍了一种受控自振荡调制器(COM)。所公开的调制器不再需要载波发生器，具有一系列该文献所详述的优点。

所述技术的一个问题是为了补偿滤波器电感器电流而需要大体积且昂贵的功率器件。还有当调制器连接到电抗性负载或者开路负载时会发生需要例如RC-Zobel补偿的问题。在带宽较大的系统中也难于实施COM技术。简而言之，尽管COM方法克服了常规的PWM技术的一些缺点，可以说还存在有局限性。

发明内容

因此本发明的主要目的是提供一种克服现有技术方面的基本问题的开关电源变换系统的调制技术。

第二个目的是提供一种一般电能变换系统的脉冲调制器，所述的脉冲调制器与现有技术相比提供性能上的优点、拓扑方面的简化，提高了牢靠性和稳定性。

这些目的由上述种类受控自振荡调制器(COM)实现，其特征在于，电流测量装置，所述电流测量装置安排用于测量所述功率放大级向与调制器连接的负载提供的电流，所述测量值提供给所述第一反馈装置，其中所述第一反馈装置具有用于根据所述测量值产生所述第一反馈信号的传递函数，并且所述第一前馈装置具有根据所述第一反馈装置和输入信号产生所述调制信号的传递函数。

通过测量向负载供给的电流，大大地改善了负载控制，不再需要其它的负载补偿。还有因为调制器起了大功率的宽带控制系统的作用，补偿了任何滤波器电感电流，从而降低了对功率器件的要求。

电流测量本身执行了一阶传递函数，从而在振荡环路产生第一极点，这导致了设计的简化。特别是在移动的个人音频等装置微型化重要的应用中，这是对的现有技术的重要优势。

因此根据本发明的COM旨在把COM的优点与电流控制PWM技术相结合，得到体现以下特征的系统：

-系统是内在地稳定的。

-不需要载波发生器，节省器件。

-从等效环路转换函数中取消了供电变量Vs。

-系统起宽带控制系统的作用。

-清洁调制(没有反馈噪音和不良载波信号)。

-可控制的可变开关频率用于提高效率和EMI。

这使得根据本发明的调制器非常适用于所有类型的精密DC-AC变换应用，譬如音频应用。

调制器优选地包括从所述的放大级反馈输出电压的装置。这使得能够实现在中心电源转换级周围结合调制和控制系统的非常紧凑的设计。尽管联合的电压和电流反馈PWM系统是领域内公知的，所述的以两个环路拓扑为基础的COM是有利的改进并且在领域内是新颖的。

根据电压反馈的一个实施例，第一反馈装置连接所述的输出电压，并且第一反馈装置用于基于所述的电流值和所述的电压值产生所述的第一反馈信号。这可能是实现双重反馈的优越方式，减少了器件的数量。

根据电压反馈的另一个实施例，调制器包括连接所述的输出电压的第二反馈装置，并且用于产生第二反馈信号，还含有第二前馈装置，用于根据所述的第二反馈信号和第二信号向所述的第一前馈装置提供所述的输入信号。尽管这种实施有些复杂，在希望减少电流测量以及电压反馈具有不同的传递函数时它可能是有优势的。

功率放大级可以包括输出滤波器，这样第二反馈装置就可以连接到所述的输出滤波器的输出上。这使得电压能够进行第一次滤波之后再反馈回反馈通路。

在一个优选实施例中，电流测量的装置用于限制峰值电流和长期电流的保护功能。

受控振荡调制器可以有利地用于精确的电压或电流控制DC-AC变换例如音频用功率放大器。

附图说明

下面参照附图说明本发明的优选实施例。附图中：

图1示出基于电压反馈的现有技术受控振荡调制器。

图2示出本发明第一实施例的方框图。

图3示出本发明第二实施例的方框图。

图4示出本发明第三实施例的方框图。

具体实施方式

图1的总体方框图中示出根据现有技术的COM基本原理。由于它使用电压反馈，所以称为VCOM。输入电压Vi提供到前馈方框2，前馈方框还由反馈方框1供电，以得到和处理误差信息。补偿信号Vb提供到无滞后的比较器3，该比较器参照电压V_DC，优选地是直流电压。得到的脉冲调制信号是在开关电源转换级4放大的由Vs供给的功率，产生功率脉冲信号Vp，所述的脉冲信号驱动电感负载5。

方框1处理来自输出电压Vp的输出信息并且控制系统的总传递函数特性。受控振荡调制器的特征在于方框1和2中的至少两个极点，结合调制器和功率级的传输延迟产生正弦波样的调制信号Vb，用于与V_DC比较。在这种假设下，系统实现正反馈的频率处的振荡系统。方框1实现从Vi至输出变量的总传递函数功能特性。

假如希望在一定的带宽上有恒定的增益K，可以用以下的传递函数计算：

$A\left(s\right)=\frac{1}{K}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{0}s+1}---B\left(s\right)=K_B\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zB}}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pB}}s+1}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{0}s+1}---\left(1\right)$

在此示意例中，A方框1具有较低频率的极点s＝-1/τ₁，一般地比振荡频率低10的一阶特性，振荡条件由在s＝-1/τ₀处两个极点的τ₀方便地确定。满足“受控振荡调制(COM)”的要求是：

式中所要求的系统振荡频率是jω₀。在此优选的举例中，受控振荡的条件是：

$\left|K_B{K}_p\right|=K\frac{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_{p1}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pB}}}{2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zB}}}---\left(3\right)$

由于比较器和开关功率级的非线性增益特性，VCOM受迫振荡于ω₀。

作为本发明的优选实施例考虑图2所示的系统。在此调制器中，发送到负载电流i_L值用作产生调制信号Vb的输入。用安排在放大级4后面的电流测量装置6测量电流i_L。

在这种情况下方框11和12的有优势的传递函数为：

$A\left(s\right)=Z_m\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{0}s+1}---B\left(s\right)=K_B\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zB}}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pB}}s+1}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{0}s+1}---\left(4\right)$

假定电流控制COM系统，下面称为CCOM系统用二阶(L、C)滤波器解调，环路传递函数为

$G_C\left(s\right)=A\left(S\right)B\left(s\right)G_O\left(s\right)----\left(5\right)$

$=K_B\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zB}}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pB}}s+1}\·\frac{K_P\left({\hat{v}}_b\right)}{L}\frac{s+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q_0}}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q_0}s+{{\mathrm{\ω}}_o}^2}{Z}_m\frac{1}{{({\mathrm{\τ}}_{0}s+1)}^2}$

式中

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}---Q_0=R\sqrt{\frac{C}{L}}=\mathrm{RC}{\mathrm{\ω}}_0---\left(6\right)$

在此CCOM系统中的受控振荡的条件是：

$\left|K_B{K}_p\right|=\frac{L}{Z_m}\frac{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pB}}}{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zB}}}---\left(7\right)$

CCOM系统的参数值例为：

领域内普通技术人员理解，可以用许多公知的方法实施具有其它参数和其它极点位置的CCOM系统。因此，所举例只是阐述性的，并且示出具有常数带内传输导纳 的简单宽带传输导纳放大器系统。

图2所示的CCOM调制器可以有利地与根据现有技术的VCOM结合，这种结合的两个优选实施例示于图3和4中。

这种结合的调制器有利地实施为通用高性能DC-AC变换系统，具有二阶解调滤波器和总体电压环路。

在图3中，反馈方框21的传递函数A′用于接收放大级4的电压反馈以及测量电流i_L。还进行了前馈方框22的传递函数B′的适当调整。

另一个例子是图4的宽带、恒增益功率放大器，在此引入了另外两个方框31和32。从而放大器包括由电压反馈通路33包围的根据图2的CCOM。于是，电压信号Vo在输出滤波器34后取得，然后连接到方框31。然后把产生的信号Vc提供到方框32，方框32还提供有输入电压V_i。提供到CCOM30的前馈方框11的是方框32的输出，还有来自反馈方框12的信号Va。方框31和32的优选的的传递函数为：

$C\left(s\right)=\frac{1}{K}\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pC}}s+1}---D\left(s\right)=K_D\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zD}}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pD}}s+1}---\left(8\right)$

通过调节K_D可以方便地实现所希望的电压环路带宽f_v。

参数值例为：

领域内普通技术人员理解，可以用许多公知的方法实施COM系统方框图中的传递函数。系统增益K在系统的带宽之内保持为常数。

本发明的另一个优选实施例是COM系统的两个极点的补偿，从而带内环路增益曲线较陡(尽管不过-12db/倍频程)用于通过结合COM调制器和反馈控制系统改进反馈补偿。领域内普通技术人员可以理解这可以例如在B方框中实现。

本发明的其它实施包括输入滤波和限幅部分，以控制传递函数和提供改进了的削波特性，所述的削波特性可以有利地是软波类型的。

另外所述的限幅器将保持振荡器运行和保持控制环路工作。适当实施的限幅器功能的第三个优势是不会有从过载中恢复的滞后。领域内普通技术人员知道有许多实施这种限幅功能的公知方式。

Claims (8)

1.受控自振荡调制器，所述调制器包括比较器和脉冲调制功率放大级，以及高阶振荡环路，所述振荡环路包括第一反馈装置和第一前馈装置用于保证稳定的振荡条件，其中所述的第一反馈装置安排得向所述第一前馈装置提供第一反馈信号，所述第一前馈装置安排用于向所述比较器提供调制信号，其特征在于，

电流测量装置，所述电流测量装置安排用于测量所述功率放大级向与调制器连接的负载提供的电流，所述测量值提供给所述第一反馈装置，

其中所述第一反馈装置具有用于根据所述测量值产生所述第一反馈信号的传递函数，并且所述第一前馈装置具有根据所述第一反馈信号和输入信号产生所述调制信号的传递函数。

2.如权利要求1所述的受控自振荡调制器，其特征在于，还包括从所述的放大级反馈输出电压的装置。

3.如权利要求2所述的受控自振荡调制器，其特征在于，所述第一反馈装置连接所述的输出电压，所述第一反馈装置用于根据所述的电流值和所述的电压值产生所述的第一反馈信号。

4.如权利要求2所述的受控自振荡调制器，其特征在于，所述调制器还包括，

连接所述的输出电压的第二反馈装置，用于产生第二反馈信号，以及

第二前馈装置，用于根据所述的第二反馈信号和第二信号向所述的第一前馈装置提供所述的输入信号。

5.如权利要求4所述的受控自振荡调制器，其特征在于，所述功率放大级包括输出滤波器，并且其中所述第二反馈装置连接到所述的输出滤波器的输出上。

6.如以上权利要求之任一项所述的受控自振荡调制器，其特征在于，还包括控制调制深度的限幅器装置。

7.电能变换系统，其特征在于，应用根据以上权利要求之任一项所述的调制器。

8.如权利要求7所述的电能变换系统，其特征在于，其用于直接驱动电动换能器负载。

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