CN1361585A

CN1361585A - 高频电压型式功率转换器及其控制方法

Info

Publication number: CN1361585A
Application number: CN 00137767
Authority: CN
Inventors: 蔡嘉明
Original assignee: FEIRUI Co Ltd
Current assignee: FEIRUI Co Ltd
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-07-31
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: CN1124677C

Abstract

本发明有关一种高频电压型式功率转换器及其控制方法,主要是以一微处理器将输入及输出电压分别经一降压单元反馈后,由该微处理器依据输入与输出电压的条件与预设于微处理器中的截止时间表进行比较与计算后,输出一时脉信号及一模拟输出电压信号,以控制功率转换器中一电压型式脉宽调制控制器的截止时间,进而控制输出电压稳态响应,即可有效改善输入电流波形,进而提高功率转换器的效率,有效减轻散热问题。

Description

高频电压型式功率转换器及其控制方法

本发明涉及一种高频电压型式功率转换器及其控制方法。

一般电压型式脉宽调制控制器(Voltage PWM Controller)，其工作原理是当其中的振荡器开始产生三角波时，脉宽调制控制器亦同时驱动一功率转换器初级侧的主动开关，直到功率转换器的输出电压直接反馈到脉宽调制控制器当中的误差放大器，以产生一误差信号，而可与振荡器产生的三角波相切时，即关闭主动开关，借此产生适当的工作周期，并将初级侧的能量转换至次级侧。

然而，在电压型式控制方法中，往往受限于脉宽调制控制器中并无电流反馈给控制闭环控制，系统响应完全由输出电压决定，为了防止输出电压瞬态响应过慢以及缩小输出电压稳态脉动变化，往往将脉宽调制控制器当中的电压控制闭环的频宽设计得比输入设备频率高数倍甚至数十倍，一旦电压控制闭环频宽被过度提高，会造成输入电流波形失真变大，输入电流均方根值也随之增高，输入电压脉动增加，造成输入能量增加，效率降低及散热量大大增加问题。

相反，如果降低脉宽调制控制器中电压反馈控制闭环的频宽，固然可以使输入电流波形失真度减小，然而却必须付出输出电压瞬态响应变慢及输出电压稳态脉动变大的代价，然而输出电压瞬态响应所产生的影响，不仅是输出端负载无法承受过低的瞬态电压，产生断电的效应，同时，功率转换器中部份元件如电解电容及半导体亦受限于耐压规格，无法承受过高的瞬态电压，而且输出电压稳态脉动的变化范围也常常需要符合产品规定。

若是改以平均电流或峰值电流的脉宽调制控制器驱动主动开关，则须加入一电流控制回路，由电压控制回路及电流控制回路的频率响应共同决定输入电流及输出电压的特性，此外，还必须加上一变流器(Current Transformer)，采用CT等磁性元件及相对应的控制线路大大提高了线路的复杂程度、体积及成本。

因此，本发明的目的在于提供一种控制截止时间的高频电压功率转换器及其控制方法，它可控制一脉宽调制控制器的截止时间以控制其输出电压瞬态响应。

为实现上述目的，本发明的一种控制截止时间的高频电压型式功率转换器包括一电源输入单元，一主动驱动单元与该电源输入单元连接，一高频功率转换器连接于该主动驱动单元，一输出端单元与高频功率转换器连接，所述电源输入单元及输出单元各自透过一输入降压单元及一输出降压单元将输入电压及输出电压反馈至一微处理器，由该微处理器依据输入与输出电压的条件，输出一时脉以控制一脉宽调制控制器的截止时间，由该脉宽调制控制器控制所述主动驱动单元。

为实现上述目的，本发明的控制高频电压型式功率转换器的方法，包括以下步骤：建立截止时间表；读取输入及输出电压值；判断输入及输出电压值，若输入电压异于输入电压预设值或输出电压低于输出电压预设值，则进行下一步骤；依据输入及输出电压自前述截止时间表读取截止时间；利用该截止时间控制脉宽调制控制器。

采用本发明折上述电路结构和控制方法，可控制输出电压瞬态响应，改善输入电流波形，进而提高功率转换器的效率，并减小散热量。同时，还具有以下优点：1.由于输出电压透过输出降压单元反馈至微处理器后，由微处理器送出一模拟输出信号至脉宽调制控制器，而非将输出电压直接反馈至脉宽调制控制器，因此，输出电压透过微理器中的滤波器可消除杂信号，以改善输出电压频率响应，并简化该脉宽调制控制器的电路。2.由于脉宽调制控制器的时脉信号及模拟输出信号均是由微处理器提供，因此可提供较高的解析度，可以更精确地控制截止时间。

为能进一步更清楚了解本发明的目的、特点及优点下面将参照附图予以详细说明：

图1是本发明的电路方块图；

图2是本发明的输入中断处理程序流程图；

图3是本发明的输出中断处理程序流程图；

图4是本发明的电源输入单元、高频功率转换器及输出端单元的详细电路图；

图5是本发明的主动驱动单元的详细电路图；

图6是本发明的输入降压单元、输出降压单元及微处理器的详细电路图；

图7是本发明的脉宽调制控制器的详细电路图。

有关本发明所提出的高频电压型式功率转换器及其控制方法，请参阅图1，图中示出功率转换器的电路方块图，如图所示，它包括：

一电源输入单元10，其详细电路请参考图4所示；

一主动驱动单元20，它连接到该电源输入单元10，其详细电路请参考图5所示；

一高频功率转换器30，它连接到该主动驱动单元20，其详细电路请参考图4所示；

一输出端单元40，它连接到所述高频功率转换器30，其详细电路请参考图4所示；

该电源输入单元10与输出端单元40分别透过一输入降压单元50及一输出降压单元60将输入电压与输出电压经降压后反馈至一微处理器70，其详细电路请参考图6所示，再由该微处理器70输出一时脉信号及一模拟输出信号至一脉宽调制控制器80(其详细电路请参考图7所示)以控制其截止时间，再由脉宽调制控制器80控制该主动驱动单元20。

其中，该微处理器70设有两个取样时间不同的中断处理程序，在不同中断处理程序中，由输入与输出电压的条件，与预设的截止时间表(preset dead-time table)进行比较与计算后，输出一时脉信号控制脉宽调制控制器80的截止时间，换言之，控制脉宽调制控制器80当中振荡器有效可工作时间，在不同的输入及输出电压状况下，限制其最大工作周期。

如何决定截止时间表的方法，其原理详述如下：

在高频功率转换器30工作时，如果选择转换器适当的次级侧感应值，可以使得转换器工作在连续电流模式continuous mode condition下，以次级侧电感上的并联电压来计算，则输入电压、输出电压与工作周期的关系如方程序(1)、(2)所述：

L_{\sec} \cdot \frac{{di}_{L}}{D_{ON}} \cdot f_{S} = \frac{N_{2}}{N_{1}} V_{IN} - V_{O} \dots \dots \dots \dots \dots \dots (1)

L_{\sec} \cdot \frac{{di}_{L}}{1 - D_{ON}} \cdot f_{S} = V_{O} \dots \dots \dots \dots \dots \dots (2)

将上述两个方程序经过转换，可以得到常见的方程序(3)：

\frac{N_{2}}{N_{1}} \cdot V_{IN} \cdot D_{ON} = V_{O} \dots \dots \dots \dots \dots (3)

由方程序(3)，可以发现，当输出电压一定时，输入电压低时，工作周期变大，甚至可达到控制器提供的最大工作周期；然而，输入电压较高时，由于电压的脉动随负载增加而增大，在电压控制闭环反馈下，产生不均一的工作周期，故其峰值电流可能会随工作周期及输入电压增大而变大，其原理如方程序(4)所述：

L_{pri} \cdot \frac{{di}_{SW}}{dt} = V_{IN} \dots \dots \dots \dots \dots (4)

其中L_pri为高频功率转换器次级侧电感感应到初级侧的感应值，与次级侧感应值的关系如方程序(5)所述：

L_{pri} = \frac{N_{1}^{2}}{N_{2}^{2}} \cdot L_{\sec} \dots \dots \dots \dots \dots (5)

又在同一工作周期中，可将方程序(4)转为方程序(6)：

L_{pri} \cdot \frac{Δ I_{SW}}{D_{ON}} \cdot f_{S} = V_{IN} \dots \dots \dots \dots \dots (6)

由方程序(6)可看出，在相同工作周期下，当输入电源电压较高时，即会导致初级侧开关电流变化量随之增大；而输入电流经由输入电源并联的电容提供初级侧开关能量，因此输入电流也随之增大。

输入电流与效率之间的关系如方程序(7)、(8)所述：

η = \frac{W_{OUT}}{W_{IN}} \dots \dots \dots \dots \dots \dots (7)

W_{IN} = \frac{1}{T_{S}} {&Integral;}_{0}^{T_{S}} v_{IN} \cdot i_{IN} dt \dots \dots \dots \dots \dots (8)

其中v_IN与i_IN为时间及输入电压的函数，通常并不是定值，T_s为工作周期，f_s为工作频率，其关系如方程序(9)所述：

T_{S} = \frac{1}{f_{S}} \dots \dots \dots \dots \dots \dots (9)

由方程序(8)可看出，当输入电流越大，输入功率会随之增大，效率便会降低，同时该高频功率转换器80会产生极大的热量，往往需要更多的散热装置，这样会造成成本的增加。

一般而言，由于输入电压并不会快速变化，属于稳态响应，故取样时间可较长，因此是以采样时间较长的输入中断处理程序处理，其主要控制手段为如图2所示，先计算最大输入电流时所需的平均工作周期、考虑元件误差允许值，再将可以改善输入电流波形的最小截止时间，按不同的输入电压写入程序中的截止时间表(一)，再读取输入电压值，判断输入电压是否过高，如果输入电压过高则微处理器70会由读取一截止时间A，该截止时间A建立于截止时间表(一)，且截止时间A会随着输入电压升高而加大。

而另一取样时间较短的输出中断处理程序是负责处理输出电压瞬态响应，当输入电压较高时，原本较长的截止时间可能无法应付负载突然产生的变动致使输出电压降低，当输出电压降至过低时，本中断处理程序可将截止时间缩小，而借此提高输出电压。其控制手段系如图3所示，先读取输出电压值，判断输出电压是否过低，如果过低，则微处理器70会于截止时间表二读取一截止时间B，并将此截止时间B输出以控制脉宽调制控制器80，适当地回复截止时间，因此在微处理器70的截止时间表二中，当输出电压越低时，其截止时间B将会越短，以提高高频功率转换器30的利用率。

该微处理器60利用上述二个不同的中断处理程序，依据输入电压与输出电压条件不同，而由各自的中断处理程序与相对应的截止时间表进行比较与计算，输出一时脉信号控制一脉宽调制控制器70的截止时间。而另一模拟输出信号系将输出电压经前述输出降压单元60后反馈至微处理器70，借助该微处理器70滤波及略为降低频宽后经一放大器输出。

Claims

1.一种高频电压型式功率转换器，其特征在于，它包括：

一电源输入单元；

一主动驱动单元，它与该电源输入单元连接；

一高频功率转换器，它与该主动驱动单元连接；

一输出端单元，它连接至该高频功率转换器；

一微处理器，它由该电源输入单元及输出端单元分别接收输入电压信号及输出电压信号，并由该微处理器依据输入电压信号及输出电压信号输出一时脉信号及模拟输出信号以控制一脉宽调制控制器的截止时间，而由该脉宽调制控制器控制所述主动驱动单元。

2.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，

于该电源输入单元及微处理器间设一输入降压单元，输入电压经降压处理后送至微处理器；

于该输出端单元连接及微处理器间设输出降压单元，输出电压经降压处理后送至微处理器。

3.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，该高频功率转换器为一全桥转换器。

4.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，该高频功率转换器为一半桥转换器。

5.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，该高频功率转换器为一推挽转换器。

6.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，该主动驱动单元为一脉波变压器。

7.如权利要求1所述的高频电压型式功率转换器，其特征在于，于该微处理器及脉宽调制控制器间设有一将模拟输出信号放大的放大器。

8.一种控制高频电压型式功率转换器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

建立截止时间表；

读取输入及输出电压值；

判断输入及输出电压值，若输入电压异于输入电压预设值或输出电压低于输出电压预设值，则进行下一步骤；

依据输入及输出电压自前述截止时间表读取截止时间；

利用该截止时间控制脉宽调制控制器。