TWI511431B - 直流對直流變換裝置及其控制方法 - Google Patents

直流對直流變換裝置及其控制方法 Download PDF

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Description

直流對直流變換裝置及其控制方法
本發明係有關於一種裝置及其控制方法，且特別是有關於一種直流對直流變換裝置及其控制方法。
隨著科技的進展，信號處理系統所採用之供電系統亦隨之精進。直流供電系統因為能提供低電壓、大電流，而且其轉換效率較高之故，逐漸廣為業界所採用，而在直流供電系統中，直流對直流(DC/DC)變換器扮演了重要的角色。
一般DC/DC變換器的控制方式，是控制輸入直流電於預設區間內變化，並同時控制其輸出電壓維持在一個定值。然而，上述控制方式若應用在諧振電路類型的DC/DC變換器時，將使得開關頻率變化範圍較大，而上述控制方式若應用在脈寬調製電路類型的DC/DC變換器時，將使得占空比變化範圍較大。無論是開關頻率或占空比變化範圍較大，皆會影響到DC/DC變換器的變換效率。
由此可見，上述現有的方式，顯然仍存在不便與缺陷，而有待改進。為了解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來仍未發展出適當的解決方案。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
本發明內容之一目的是在提供一種直流對直流變換裝置及其控制方法，藉以改善存在於先前技術的問題。
為達上述目的，本發明內容之一技術態樣係關於一種直流對直流變換裝置的控制方法，此控制方法包含以下步驟：於第一區間，根據直流對直流變換裝置之輸入直流電以對應地控制直流對直流變換裝置之輸出直流電維持於第一數值；於第二區間，根據輸入直流電以對應地控制輸出直流電維持於第二數值；控制直流對直流變換器輸出的輸出直流電之第二數值大於直流對直流變換器輸出的輸出直流電之第一數值；以及於第一區間及第二區間，控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比在第一預設範圍內。
根據本發明一實施例，前述輸入直流電的輸入範圍為一數值可連續變化的數值區間，數值區間包括所述第一 區間和所述第二區間。
根據本發明另一實施例，前述控制直流對直流變換裝置的輸出直流電對應數值區間的輸入直流電呈現階梯狀變化。
根據本發明再一實施例，前述數值區間更包括最小值區間和最大值區間；最小區間包括輸入直流電的最小值，最大區間包括輸入直流電的最大值。
根據本發明又一實施例，前述最小值區間和最大值區間控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比變化在第二預設範圍。
根據本發明另一實施例，前述第二預設範圍包括第一預設範圍；於最小值區間，直流對直流變換裝置的開關頻率變化的第二預設範圍的最小值小於第一預設範圍的最小值；於最大值區間，直流對直流變換裝置的開關頻率變化的第二預設範圍的最大值大於第一預設範圍的最大值。
根據本發明再一實施例，前述第二預設範圍包括第一預設範圍；於最小值區間，直流對直流變換裝置的占空比變化的第二預設範圍的最大值大於第一預設範圍的最大值；於最大值區間，直流對直流變換裝置的開關頻率變化的第二預設範圍的最小值小於第一預設範圍的最小值。
根據本發明又一實施例，前述輸入直流電於第一區間的變化差值等於輸入直流電於第二區間的變化差值；第一區間對應的開關頻率變化範圍與第二區間對應的開關頻率變化範圍相同。
根據本發明另一實施例，前述控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比於預設範圍內的步驟包含：於第一區間及第二區間，控制開關頻率隨著輸入直流電之增大而增大，或控制占空比隨著輸入直流電之增大而減小。
根據本發明再一實施例，前述直流對直流變換裝置的控制方法包括：對於當前輸入直流電值，若開關頻率為第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值大於第一數值則控制開關頻率以調整輸出直流電為第二數值。
根據本發明另一實施例，前述直流對直流變換裝置的控制方法包括：對於當前輸入直流電值，若開關頻率為第一預設範圍內最小值時，當輸出直流電值小於第二數值則控制開關頻率以調整輸出直流電為第一數值。
根據本發明再一實施例，前述直流對直流變換裝置的控制方法包括：對於當前輸入直流電值，若占空比為第一預設範圍內最小值時，當輸出直流電值大於第一數值則控制占空比以調整輸出直流電為第二數值。
根據本發明又一實施例，前述直流對直流變換裝置的控制方法包括：對於當前輸入直流電值，若占空比為第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值小於第二數值則控制占空比以調整輸出直流電為第一數值。
為達上述目的，本發明內容之另一技術態樣係關於一種直流對直流變換裝置，此直流對直流變換裝置包括直流對直流功率轉換單元、輸出檢測電路及控制驅動單元。直流對直流功率轉換單元包括至少一開關器件。控制驅動 單元包含核心控制驅動器及電壓控制信號轉換器。所述直流對直流功率轉換單元接收輸入直流電輸出對應的輸出直流電。輸出檢測電路檢測所述輸出直流電以輸出直流電檢測信號。核心控制驅動器輸出控制驅動信號至所述開關器件。電壓控制信號轉換器接收直流電檢測信號和預設輸出直流電信號輸出控制信號至核心控制驅動器，所述電壓控制信號轉換器當前輸出的控制信號反饋至電壓控制信號轉換器，電壓控制信號轉換器設置有允許控制信號變化的控制信號預設範圍，電壓控制信號轉換器根據當前該直流電檢測信號調整預設輸出直流電信號直至控制信號控制在控制信號預設範圍。
根據本發明一實施例，前述電壓控制信號轉換器包括控制信號處理器、輸出直流電調節模塊及電壓信號轉換器。所述控制信號處理器設有控制信號預設範圍和接收當前控制信號，比較當前控制信號和控制信號預設範圍而輸出預設輸出直流電信號調節量。輸出直流電調節模塊接收預設輸出直流電信號調節量、預設輸出直流電信號和直流電檢測信號輸出電壓控制信號。電壓信號轉換器接收電壓控制信號輸出控制信號。
根據本發明另一實施例，前述輸出直流電調節模塊包括預設直流電調節器及電壓調節器。預設直流電調節器接收所述預設輸出直流電信號和所述預設輸出直流電調節量以輸出參考輸出直流電信號並將當前所述預設輸出直流電信號更新為當前所述參考直流電信號。電壓調節器接收 所述參考輸出直流電信號和所述直流電檢測信號以輸出所述電壓控制信號。
根據本發明再一實施例，前述輸出直流電調節模塊更包括飽和限幅器。飽和限幅器設置于預設直流電調節器與電壓調節器之間，限定所述參考輸出直流電信號於設定範圍內。
根據本發明又一實施例，前述電壓控制信號轉換器更包括非線性控制器。非線性控制器設置于控制信號處理器與輸出直流電調節模塊之間，預設輸出直流電信號調節量經所述非線性控制器輸出至輸出直流電調節模塊。
根據本發明另一實施例，前述直流對直流變換裝置為諧振型直流對直流裝置，電壓控制信號轉換器輸出的控制信號為頻率信號。
根據本發明再一實施例，前述直流對直流變換裝置為PWM型直流對直流裝置，電壓控制信號轉換器輸出的控制信號為占空比信號。
因此，根據本發明之技術內容，本發明實施例藉由提供一種直流對直流變換裝置及其控制方法，藉以改善開關頻率或占空比變化範圍較大，而影響到直流對直流變換器之變換效率的問題。
在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。
100a~100f‧‧‧直流對直流變換裝置
110‧‧‧直流對直流功率轉換單元
120‧‧‧輸出檢測電路
130‧‧‧控制驅動單元
131‧‧‧核心控制驅動器
132‧‧‧電壓控制信號轉換器
133‧‧‧輸出直流電調節模塊
133A‧‧‧預設直流電調節器
133B‧‧‧電壓調節器
133C‧‧‧飽和限幅器
134‧‧‧控制信號處理器
135‧‧‧電壓信號轉換器
135a‧‧‧電壓頻率轉換器
135b‧‧‧電壓占空比轉換器
136‧‧‧非線性控制器
210‧‧‧直流對直流功率轉換單元
220‧‧‧計算電路
230‧‧‧計算電路
240‧‧‧驅動電路
1000‧‧‧直流對直流變換裝置的控制方法
1100~1400‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種直流對直流變換裝置的控制方法之流程示意圖。
第2A圖係繪示依照本發明另一實施例的一種直流對直流變換裝置的輸入輸出波形示意圖。
第2B圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置的輸入輸出波形示意圖。
第2C圖係繪示依照本發明又一實施例的一種直流對直流變換裝置的輸入輸出波形示意圖。
第3圖係繪示依照本發明另一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
第4圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
第5圖係繪示依照本發明又一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
第6圖係繪示依照本發明另一實施例的一種諧振電路類型之直流對直流變換裝置之示意圖。
第7圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
第8圖係繪示依照本發明又一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
第9圖係繪示依照本發明另一實施例的一種脈寬調製電路類型之直流對直流變換裝置的示意圖。
第10圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置之示意圖。
根據慣常的作業方式，圖中各種特徵與元件並未依比例繪製，其繪製方式是為了以最佳的方式呈現與本發明相關的具體特徵與元件。此外，在不同圖式間，以相同或相似的元件符號來指稱相似的元件/部件。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
除非本說明書另有定義，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。
第1圖係繪示依照本發明一實施例的一種直流對直流變換裝置的控制方法1000之流程示意圖。為使第1圖所示之直流對直流變換裝置的控制方法1000易於理解，在 此配合第2A、2B、2C圖繪示之輸入輸出波形示意圖，以一併說明直流對直流變換裝置的控制方法1000之流程。
首先，介紹第2A、2B圖。請看到第2A、2B圖上半部，直流對直流變換裝置之輸入直流電以Vin標示，其最小值以A標示，最大值以G標示，其餘英文字母則分別標示輸入直流電Vin之中間值。再者，直流對直流變換裝置之輸出直流電以Vbus標示，其最大值以Vbusmax標示，其最小值以Vbusmin標示，而Vbus1及Vbus2則為輸出直流電之中間數值。此外，請看到第2A圖左下角，開關頻率之最大值為fmax，fsmax為開關頻率相對最大值，開關頻率之最小值為fmin，fsmin為開關頻率相對最小值，而J~T則為開關頻率變化的中間點。再者，請參照第2B圖左下角，占空比之最大值為Dmax，Dsmax為占空比相對最大值，占空比之最小值為Dmin，而Dsmin為占空比相對最小值。
請一併參閱第1圖及第2A、2B圖，以說明直流對直流變換裝置的控制方法1000之流程。在步驟1100中，於第一區間(如輸入直流電Vin之C到D點的區間)，根據直流對直流變換裝置之輸入直流電Vin以對應地控制直流對直流變換裝置之輸出直流電Vbus維持於第一數值Vbus1。在步驟1200中，於第二區間(如輸入直流電Vin之D到E點的區間)，根據輸入直流電Vin以對應地控制輸出直流電Vbus維持於第二數值Vbus2。
此外，在步驟1300中，直流對直流變換裝置的控制方法1000會控制輸出直流電Vbus之第二數值Vbus2大於 輸出直流電Vbus之第一數值Vbus1。在步驟1400中，於第一區間及第二區間，直流對直流變換裝置的控制方法1000會控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比在第一預設範圍內。請參閱第2A圖，上述第一預設範圍為fsmax至fsmin的範圍。另外，請參閱第2B圖，上述第一預設範圍為Dsmax至Dsmin的範圍。然本發明並不以第1圖所示之實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明的實現方式之一，在不脫離本發明之精神的狀況下，對上述實施例進行潤飾，或者操作方式與上述實施例類似者，依舊落入本發明之範圍內。
如步驟1100至1400所示，上述控制方式1000旨在控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比在一較小的範圍內，以使直流對直流變換裝置維持在高效率運轉。
如上所述之直流對直流變換裝置的控制方法1000皆可由軟體、硬體與/或軔體來執行。舉例來說，若以執行速度及精確性為首要考量，則基本上可選用硬體與/或軔體為主；若以設計彈性為首要考量，則基本上可選用軟體為主；或者，可同時採用軟體、硬體及軔體協同作業。應瞭解到，以上所舉的這些例子並沒有所謂孰優孰劣之分，亦並非用以限制本發明，熟習此項技藝者當視當時需要彈性設計之。
再者，所屬技術領域中具有通常知識者當可明白，直流對直流變換裝置的控制方法1000中之各步驟依其執行之功能予以命名，僅係為了讓本案之技術更加明顯易懂， 並非用以限定該等步驟。將各步驟予以整合成同一步驟或分拆成多個步驟，或者將任一步驟更換到另一步驟中執行，皆仍屬於本揭示內容之實施方式。
在一實施例中，如第2A、2B圖所示，直流對直流變換裝置的控制方法1000可控制輸出直流電Vbus對應上述數值區間的輸入直流電Vin呈現階梯狀變化。
在另一實施例中，輸入直流電Vin的輸入範圍為數值可連續變化的數值區間。如第2A、2B圖所示，上述數值區間可為A點至G點的區間，輸入直流電Vin的輸入範圍為A點至G點的範圍。如上所述，第一區間可為輸入直流電Vin之C到D點的區間，第二區間可為輸入直流電Vin之D到E點的區間，因此，上述數值區間包括第一區間和第二區間。關於上述數值區間，若A點對應的輸入直流電Vin電壓為40伏特(V)，G點對應的輸入直流電Vin電壓為60伏特(V)，則數值區間為40伏特(V)至60伏特(V)的區間，由此可知，輸入直流電Vin的輸入範圍可在40伏特(V)至60伏特(V)之間連續變化。然本發明並不以上述數值為限，其僅用以例示性地說明本發明的實現方式之一。
在又一實施例中，上述數值區間更包括最小值區間和最大值區間。所謂最小值區間可為輸入直流電Vin之A到C點的區間，而最大值區間可為輸入直流電Vin之F到G點的區間。由第2A、2B圖可知，上述最小值區間包括輸入直流電Vin的最小值A，而最大值區間包括輸入直流電Vin的最大值G。
於再一實施例中，如第2A、2B圖所示，於最小值區間和最大值區間控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比變化在第二預設範圍。請參閱第2A圖，上述第二預設範圍可為fmax至fsmin的範圍或fsmax至fmin的範圍。另外，請參閱第2B圖，上述第二預設範圍可為Dmax至Dsmin的範圍或Dsmax至Dmin的範圍。
在另一實施例中，請參閱第2A圖，第二預設範圍包括第一預設範圍。於最小值區間，直流對直流變換裝置的開關頻率變化的第二預設範圍的最小值小於第一預設範圍的最小值，例如第二預設範圍為fsmax至fmin的範圍時，第二預設範圍的最小值fmin小於第一預設範圍的最小值fsmin。於最大值區間，直流對直流變換裝置的開關頻率變化的第二預設範圍的最大值大於第一預設範圍的最大值，例如第二預設範圍為fmax至fsmin的範圍時，第二預設範圍的最大值fmax大於第一預設範圍的最大值fsmax。
在又一實施例中，請參閱第2B圖，第二預設範圍包括第一預設範圍。於最小值區間，直流對直流變換裝置的占空比變化的第二預設範圍的最大值大於第一預設範圍的最大值，例如直流對直流變換裝置的占空比變化的第二預設範圍為Dmax至Dsmin的範圍，第二預設範圍的最大值Dmax大於第一預設範圍的最大值Dsmax。於最大值區間，直流對直流變換裝置的占空比變化的第二預設範圍的最小值小於第一預設範圍的最小值，例如直流對直流變換裝置的占空比變化的第二預設範圍為Dsmax至Dmin的範圍，第二預 設範圍的最小值Dmin小於第一預設範圍的最小值Dsmin。
於再一實施例中，如第2A圖所示，輸入直流電Vin於第一區間的變化差值(如：輸入直流電Vin之C到D點的變化差值)等於輸入直流電Vin於第二區間的變化差值(如：輸入直流電Vin之D到E點的變化差值)。此外，第一區間對應的開關頻率變化範圍(如：開關頻率fsmin至fsmax的變化範圍)與第二區間對應的開關頻率變化範圍(如：開關頻率fsmin至fsmax的變化範圍)相同。
在另一實施例中，請參閱步驟1400及第2A圖，於上述第一區間及第二區間，直流對直流變換裝置的控制方法1000用以控制開關頻率隨著輸入直流電Vin之增大而增大。另一方面，請參閱步驟1400及第2B圖，於上述第一區間及第二區間，直流對直流變換裝置的控制方法1000用以控制占空比隨著輸入直流電Vin之增大而減小。
在又一實施例中，請參閱第2A圖，對於當前輸入直流電值，若開關頻率為第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值大於第一數值Vbus1則控制開關頻率以調整輸出直流電Vbus為第二數值Vbus2。
於再一實施例中，請參閱第2A圖，對於當前輸入直流電值，若開關頻率為第一預設範圍內最小值時，當輸出直流電值小於第二數值Vbus2則控制開關頻率以調整輸出直流電Vbus為第一數值Vbus1。
在另一實施例中，請參閱第2B圖，對於當前輸入直流電值，若占空比為第一預設範圍內最小值時，當輸出 直流電值大於第一數值Vbus1則控制占空比以調整輸出直流電Vbus為第二數值Vbus2。
在又一實施例中，請參閱第2B圖，對於當前輸入直流電值，若占空比為第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值小於第二數值Vbus2則控制占空比以調整輸出直流電為第一數值Vbus1。
為使本發明實施例之直流對直流變換裝置的控制方法1000之流程更易於理解，以下將舉一實際例子來詳細說明上述控制方式。請參閱第2A圖，在本發明實施例中，採用諧振電路類型之直流對直流變換裝置，此直流對直流變換裝置之輸入直流電Vin將被控制在一區間內，例如控制在圖中A點至G點的區間內。在此預設A點之電壓值為40伏特(V)，而G點之電壓值為60伏特(V)。另外，預設最小輸出直流電Vbusmin為9V，最大輸出直流電Vbusmax為11.941V，並定義直流對直流變換裝置的開關頻率預設範圍為fsmin~fsmax，其中fsmin為上述預設範圍之最小值，其頻率為95kHz，而其對應之電壓增益為1.02。此外，fsmax為上述預設範圍之最大值，其頻率為105kHz，而其對應之電壓增益為0.98。
於控制上，當輸入直流電Vin為42V(B點)時，對應的開關頻率為95kHz(J點)，此開關頻率所對應之電壓增益為1.02，此時輸出直流電Vbus為9V。當輸入直流電Vin由42V(B點)開始上升，開關頻率亦隨之由95kHz(J點)逐漸上升。若輸入直流電Vin上升至43.714V(C點)， 對應的開關頻率為105kHz(K點)，此開關頻率所對應之電壓增益為0.98，此時輸出直流電Vbus為9V。
倘若輸入直流電Vin由43.714V(C點)持續上升，則開關頻率會由105kHz(K點)下降至預設範圍之最小值95kHz(R點)，此時，由於開關頻率95kHz所對應之電壓增益為1.02，因此，輸出直流電Vbus由9V提升為9.367V，換言之，輸入直流電Vin為43.714V所對應的輸出直流電Vbus為9.367V。
接著，輸入直流電Vin由43.714V(C點)開始上升，開關頻率亦隨之由95kHz(R點)逐漸上升，直至輸入直流電Vin上升至45.497V(D點)時，開關頻率上升至105kHz(L點)，此開關頻率對應的電壓增益為0.98，此時，輸出直流電Vbus為9.367V。
然後，倘若輸入直流電Vin由45.497V(D點)持續上升，則開關頻率由105kHz(L點)下降至95kHz(T點)，此時，由於開關頻率95kHz所對應之電壓增益為1.02，因此，輸出直流電Vbus由9.367V提升為9.749V，換言之，輸入直流電Vin為45.497V所對應的輸出直流電Vbus為9.749V。
反覆執行上述控制方式，直至輸入直流電Vin上升至55.725V，此時，開關頻率為95kHz。由於開關頻率95kHz所對應之電壓增益為1.02，因此，輸入直流電Vin為55.725V所對應的輸出直流電Vbus為11.941V。隨後，輸入直流電Vin由55.725V開始上升，開關頻率亦隨之由95kHz逐漸上 升。若輸入直流電Vin上升至58V，此輸入直流電Vin所對應的開關頻率105kHz，此開關頻率所對應的電壓增益為0.98，此時，輸出直流電Vbus為11.941V。
在上述控制方式下，舉例而言，若輸入直流電Vin上升4%，輸出直流電Vbus隨之一次性上升4%。此時，若輸入直流電Vin持續上升，輸出直流電Vbus維持不變，直到輸入直流電Vin又一次性地上升4%時，輸出直流電Vbus隨之一次性上升4%，依此類推。然本發明並不以此實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明之一實現方式，以使本發明之概念更易於理解。
為使本發明實施例之直流對直流變換裝置的控制方法1000之流程更易於理解，以下將舉另一實際例子來詳細說明上述控制方式。請參閱第2B圖，在本實施例中，採用PWM型之直流對直流變換裝置。當輸入直流電Vin為最小值時(請參考A點)，輸出直流電為Vbusmin。然後，隨著輸入直流電Vin增加，占空比由Dmax(請參考I點)逐漸降低至Dsmax(請參考J點)，此時，輸出直流電依舊維持在Vbusmin。接著，若輸入直流電Vin持續上升，占空比將由Dsmax逐漸降低至Dsmin(請參考K點)，此時，若輸入直流電Vin持續上升，占空比將由Dsmin將提升至Dsmax(請參考L點)，同時，輸出直流電由Vbusmin提升為Vbus1。
隨後，若輸入直流電Vin持續上升，占空比將由Dsmax降低至Dsmin(請參考M點)，此時，若輸入直流電Vin持續上升，占空比將由Dsmin提升至Dsmax(請參考O 點)，同時，輸出直流電由Vbus1提升為Vbus2。如此反覆調整，直至輸入直流電Vin持續上升至最大值(請參考G點)，此時，占空比將降低至Dmin。
然而，本發明並不以上述步驟所示之控制方式為限，其僅用以例示性地說明本發明之一實現方式。本發明實施例之直流對直流轉換裝置之控制精神在於，根據輸入直流電Vin以對應地控制輸出直流電Vbus，且控制直流對直流變換裝置的占空比始終維在一較小的範圍(例如Dsmax至Dsmin之範圍)內，以使直流對直流變換裝置能維持在高效率運轉。
另一方面，請參閱第2C圖，此為直流對直流變換裝置的控制方法1000之另一種控制方式。如圖所示，輸入直流電以Vin標示，其最小值以R標示，最大值以S標示。再者，輸出直流電以Vbus標示，其最大值於以G標示，其最小值以F標示。此外，輸出直流電參考值以Vbusref標示，開關頻率以f標示，而開關頻率f於此保持在定值fset。
於控制上，若輸入直流電Vin於R點至S點的範圍內變化，輸出直流電Vbus則被調整為F點至G點範圍內的相應值。舉例而言，若輸入直流電Vin之值為R，則輸出直流電Vbus之值為F，若輸入直流電Vin之值為S，則輸出直流電Vbus之值為G。在本實施例中，直流對直流變換裝置可為諧振電路，此直流對直流變換裝置之開關頻率f保持在定值，若輸入直流電Vin於R點至S點的範圍內變化，由於開關頻率f為定值，從而使得直流對直流變換裝置維 持高效率運轉。然本發明並不以此實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明之一實現方式，以使本發明之概念更易於理解。
第3圖係繪示依照本發明另一實施例的一種直流對直流變換裝置100a之示意圖。如圖所示，直流對直流變換裝置100a包括直流對直流功率轉換單元110、輸出檢測電路120及控制驅動單元130。進一步來說，直流對直流功率轉換單元110包括至少一開關器件(圖中未示)，控制驅動單元130包括核心控制驅動器131及電壓控制信號轉換器132。
於操作上，上述直流對直流功率轉換單元110接收輸入直流電Vin以輸出對應的輸出直流電Vbus。輸出檢測電路120檢測輸出直流電Vbus以輸出直流電檢測信號Sdet。核心控制驅動器131輸出控制驅動信號Sdrive至直流對直流功率轉換單元110之所述開關器件。電壓控制信號轉換器132接收直流電檢測信號Sdet和預設輸出直流電信號Sbusset以輸出控制信號Scon至核心控制驅動器131。
此外，電壓控制信號轉換器132當前輸出的控制信號Scon反饋至電壓控制信號轉換器132。電壓控制信號轉換器132設置有允許控制信號Scon變化的控制信號預設範圍，電壓控制信號轉換器132根據當前直流電檢測信號Sdet調整預設輸出直流電信號Sbusset直至控制信號Scon控制在控制信號預設範圍。然本發明並不以第3圖所示之實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明的實現方式之一，在不 脫離本發明之精神的狀況下，對上述實施例進行潤飾，或者操作方式與上述實施例類似者，依舊落入本發明之範圍內。
在一實施例中，電壓控制信號轉換器132包括輸出直流電調節模塊133、控制信號處理器134及電壓信號轉換器135。於操作上，控制信號處理器134設有控制信號預設範圍(如：Sset設在一預設範圍內，此範圍可依照實際需求來加以設定)，此外，控制信號處理器134可接收當前控制信號Scon，並比較當前控制信號Scon和控制信號預設範圍而輸出預設輸出直流電信號調節量Sreg。再者，輸出直流電調節模塊133接收預設輸出直流電信號調節量Sreg、預設輸出直流電信號Sbusset和直流電檢測信號Sdet以輸出電壓控制信號Svol。電壓信號轉換器135接收電壓控制信號Svol而輸出控制信號Scon。
在另一實施例中，輸出直流電調節模塊133包含預設直流電調節器133A及電壓調節器133B。於操作上，預設直流電調節器133A接收所述預設輸出直流電信號Sbusset和所述預設輸出直流電調節量Sreg以輸出參考輸出直流電信號Sbusref並將當前所述預設輸出直流電信號Sbusset更新為當前所述參考輸出直流電信號Sbusref。電壓調節器133B接收所述參考輸出直流電信號Sbusref和所述直流電檢測信號Sdet以輸出所述電壓控制信號Svol。
在又一實施例中，輸出直流電調節模塊133更包括飽和限幅器133C，飽和限幅器133C設置于預設直流電調 節器133A與電壓調節器133B之間，用以限定所述參考輸出直流電信號Sbusref於設定範圍內。
於再一實施例中，電壓控制信號轉換器132更包括非線性控制器136，此非線性控制器136設置于控制信號處理器134與輸出直流電調節模塊133之間。預設輸出直流電信號調節量Sreg經所述非線性控制器136輸出至輸出直流電調節模塊133。
第4圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置100b之示意圖。第4圖之直流對直流變換裝置100b係為實現第3圖所述之直流對直流變換裝置100a的一種態樣。在第4圖中，直流對直流變換裝置100b為諧振型直流對直流裝置，因此，直流對直流變換裝置100b採用開關頻率之控制策略。在第4圖中，第3圖之輸出檢測電路120可採用分壓電路來實作，第3圖之控制信號處理器134、預設直流電調節器133A及電壓調節器133B可採用計算器來實作，第3圖之電壓信號轉換器135可採用電壓頻率轉換器135a來實作。
於操作上，控制信號處理器134可將預設開關頻率Fset與開關頻率Fcon進行相減以產生預設輸出直流電調節量Vreg。預設開關頻率Fset可設定在一範圍內，如設定在第2A圖所示之開關頻率範圍fsmin~fsmax。隨後，由預設直流電調節器133A將預設輸出直流電調節量Vreg與預設輸出直流電Vbusset進行相加以產生輸出參考輸出直流電Vbusref。另一方面，輸出檢測電路120可對輸出直流電Vbus進行分壓以產 生直流電檢測電壓Vdet，接著，電壓調節器133B將輸出參考輸出直流電Vbusref減去直流電檢測電壓Vdet以產生控制電壓Vvol，再由電壓頻率轉換器135a將控制電壓Vvol轉換為開關頻率Fcon。隨後，核心控制驅動器131即可接收並根據開關頻率Fcon以驅動直流對直流功率轉換單元110。然本發明並不以此實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明之一實現方式，以使本發明之概念更易於理解。
第5圖係繪示依照本發明又一實施例的一種直流對直流變換裝置100c之示意圖。相較於第4圖，第5圖之直流對直流變換裝置100c更包含非線性控制器136，於操作上，控制信號處理器134可將預設開關頻率Fset與開關頻率Fcon進行比較以產生頻率差Ferr，上述非線性控制器136可對頻率差Ferr進行處理以產生預設輸出直流電調節量Vreg。詳細之比較方式舉例如下，預設開關頻率Fset可設定在一範圍內，如設定在第2A圖所示之開關頻率範圍fsmin~fsmax，若採樣開關頻率Fcon落在開關頻率範圍fsmin~fsmax，則維持原開關頻率。若採樣開關頻率Fcon大於開關頻率範圍之最大值fsmax，則將開關頻率範圍之最大值fsmax減去採樣開關頻率Fcon而產生頻率差Ferr。若採樣開關頻率Fcon小於開關頻率範圍之最小值fsmin，則將開關頻率範圍之最小值fsmin減去採樣開關頻率Fcon而產生頻率差Ferr。然本發明不以上述比較方式為限，其僅用以例示性地說明本發明的實現方式之一，以使本發明之概念更易於理解。
在本實施例中，非線性控制器136可為但不限於比例調節器、比例積分器或比例積分微分調節器。此外，相較於第4圖，第5圖之直流對直流變換裝置100c更包含飽和限幅器133C，飽和限幅器133C用以限定參考輸出直流電Vbusref於設定範圍內，此設定範圍可視實際需求而適應性地進行設定。
在本實施例中，關於諧振型直流對直流裝置請參閱第6圖。第6圖係繪示依照本發明另一實施例的一種諧振電路類型之直流對直流變換裝置之示意圖。如圖所示，此為一LLC全橋電路，副邊是全橋同步整流電路，適合用在開關頻率控制，輸入電壓以Vin+和Vin-標示，輸入濾波電容以Cin標示，原邊開關元件以Q1~Q4標示，諧振電感以Ls標示，變壓器以Tr標示，諧振電容以Cs標示，副邊開關元件以Q5~Q8標示，母線輸出濾波電容以Cbus標示，母線電壓以Vbus+和Vbus-標示。然本發明並不以第6圖所示為限，其僅用以例示性地說明本發明實現方式之一，在其它實施例中，諧振電路類型之直流對直流功率轉換單元110亦可採用LLC對稱半橋電路或LLC不對稱半橋電路，另外，副邊電路也可包含全橋不可控整流電路、全波不可控整流電路或全波同步整流電路，當視實際需求而定。
第7圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置100d之示意圖。第7圖之直流對直流變換裝置100d係為實現第3圖所述之直流對直流變換裝置100a的一種態樣。在第7圖中，直流對直流變換裝置100d為 PWM型直流對直流裝置，因此，直流對直流變換裝置100d採用占空比之控制策略。在第7圖中，第3圖之輸出檢測電路120可採用分壓電路來實作，第3圖之控制信號處理器134、預設直流電調節器133A及電壓調節器133B可採用計算器來實作，第3圖之電壓信號轉換器135可採用電壓占空比轉換器135b來實作。
需說明的是，第7圖之直流對直流變換裝置100d的部分操作方式類似於第4圖所示之直流對直流變換裝置100b，此處僅就兩者不同處加以說明，以使本發明說明簡潔。於操作上，控制信號處理器134可將預設占空比Dset與占空比Dcon進行比較以產生預設輸出直流電調節量Vreg。預設預設占空比Dset可設定在一範圍內，如設定在第2B圖所示之占空比範圍Dsmin~Dsmax。另外，電壓占空比轉換器135b將控制電壓Vvol轉換為占空比Dcon。隨後，核心控制驅動器131即可接收並根據占空比Dcon以驅動直流對直流功率轉換單元110。然本發明並不以此實施例為限，其僅用以例示性地說明本發明之一實現方式，以使本發明之概念更易於理解。
第8圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置100e之示意圖。相較於第7圖，第8圖之直流對直流變換裝置100e更包含非線性控制器136及飽和限幅器133C。於操作上，控制信號處理器134可將預設占空比Dset與占空比Dcon進行比較以產生占空比差Derr，上述非線性控制器136可對占空比差Derr進行處理以產生預 設輸出直流電調節量Vreg。
在本實施例中，關於PWM型直流對直流裝置請參閱第9圖。第9圖係繪示依照本發明另一實施例的一種脈寬調製電路類型之直流對直流功率轉換單元110的示意圖。如圖所示，此為一移相全橋電路，副邊是全橋同步整流電路，適合用在占空比控制，輸入電壓以Vin+和Vin-標示，輸入濾波電容以Cin標示，原邊開關元件以Q1~Q4標示，諧振電感以Lr標示，變壓器以Tr標示，濾波電容以Cr標示，副邊開關元件以Q5~Q8標示，母線輸出濾波電容以Cbus標示，母線電壓以Vbus+和Vbus-標示。然本發明並不以第9圖所示為限，其僅用以例示性地說明本發明實現方式之一，在其它實施例中，PWM型之直流對直流功率轉換單元110亦可採用降壓型(buck)電路，另外，副邊電路也可包含全橋不可控整流電路、全波不可控整流電路或全波同步整流電路，當視實際需求而定。
第10圖係繪示依照本發明再一實施例的一種直流對直流變換裝置100f之示意圖。如圖所示，直流對直流變換裝置100f包含直流對直流功率轉換單元210、計算電路220、計算電路230及驅動電路240。上述直流對直流功率轉換單元210是用來將輸入直流電Vin轉換為輸出直流電Vbus。計算電路220可根據直流對直流功率轉換單元210的回授參數Pfb及預設參數Pref以產生參考電壓Vbusref。計算電路230可根據參考電壓Vbusref及直流對直流功率轉換單元210的回授電壓Vbusfb以產生驅動參數Pdrive，而驅動電 路240接收並根據驅動參數Pdrive以驅動直流對直流功率轉換單元210。
上述採用回授參數Pfb及回授電壓Vbusfb的反饋型控制方式，將使得輸出直流電Vbus隨輸入直流電Vin或輸出功率而進行變化，這種類型的控制方式將可使直流對直流功率轉換單元210之回授參數Pfb(例如開關頻率、占空比)維持在小範圍內變化，進而保持直流對直流功率轉換單元210始終維持高轉換效率。
進一步而言，直流對直流功率轉換單元210可為諧振電路，此時上述回授參數Pfb可採用直流對直流功率轉換單元210之開關頻率Ffb，而能使諧振電路類型的直流對直流功率轉換單元210之控制方式達到最佳效率。另一方面，直流對直流功率轉換單元210可為PWM型直流對直流換裝置，此時上述回授參數Pfb可採用直流對直流功率轉換單元210之占空比Dfb，而能使PWM型直流對直流裝置之控制方式達到最佳效率。
由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點。本發明實施例提供一種直流對直流變換裝置及其控制方法，此直流對直流變換裝置及其控制方法可根據輸入直流電以對應地控制輸出直流電，且控制直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比始終維在一較小的範圍內，以使直流對直流變換裝置能維持在高效率運轉。
雖然上文實施方式中揭露了本發明的具體實施例，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具 有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。
1000‧‧‧直流對直流變換裝置的控制方法
1100~1400‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種直流對直流變換裝置的控制方法，包含：於一第一區間，根據該直流對直流變換裝置之一輸入直流電以對應地控制該直流對直流變換裝置之一輸出直流電維持於一第一數值；於一第二區間，根據該輸入直流電以對應地控制該輸出直流電維持於一第二數值；控制該直流對直流變換器輸出的該輸出直流電之該第二數值大於該直流對直流變換器輸出的該輸出直流電之該第一數值；以及於該第一區間及該第二區間，控制該直流對直流變換裝置的一開關頻率或一占空比在一第一預設範圍內。
  2. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，該輸入直流電的輸入範圍為一數值可連續變化的數值區間，該數值區間包括所述第一區間和所述第二區間。
  3. 如請求項2所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，控制該直流對直流變換裝置的該輸出直流電對應該數值區間的輸入直流電呈現階梯狀變化。
  4. 如請求項2所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中該數值區間更包括一最小值區間和一最大值區間；該最小區間包括該輸入直流電的最小值，該最大區間包括該輸入直流電的最大值。
  5. 如請求項4所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，於該最小值區間和該最大值區間控制該直流對直流變換裝置的開關頻率或占空比變化在一第二預設範圍。
  6. 如請求項5所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，該第二預設範圍包括該第一預設範圍；於最小值區間，該直流對直流變換裝置的開關頻率變化的一第二預設範圍的最小值小於該第一預設範圍的最小值；於最大值區間，該直流對直流變換裝置的開關頻率變化的該第二預設範圍的最大值大於該第一預設範圍的最大值。
  7. 如請求項5所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，該第二預設範圍包括該第一預設範圍；於最小值區間，該直流對直流變換裝置的占空比變化的該第二預設範圍的最大值大於該第一預設範圍的最大值；於最大值區間，該直流對直流變換裝置的開關頻率變化的該第二預設範圍的最小值小於該第一預設範圍的最小值。
  8. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中，該輸入直流電於該第一區間的變化差值等於該輸入直流電於該第二區間的變化差值；該第一區間對應的開關頻率變化範圍與該第二區間對應的開關頻率變化範圍相同。
  9. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中控制該直流對直流變換裝置的該開關頻率或該占空比於該預設範圍內的步驟包含： 於該第一區間及該第二區間，控制該開關頻率隨著該輸入直流電之增大而增大，或控制該占空比隨著該輸入直流電之增大而減小。
  10. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中包括：對於當前輸入直流電值，若開關頻率為該第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值大於該第一數值則控制該開關頻率以調整輸出直流電為該第二數值。
  11. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中包括：對於當前輸入直流電值，若開關頻率為該第一預設範圍內最小值時，當輸出直流電值小於該第二數值則控制該開關頻率以調整輸出直流電為該第一數值。
  12. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中包括：對於當前輸入直流電值，若占空比為該第一預設範圍內最小值時，當輸出直流電值大於該第一數值則控制該占空比以調整該輸出直流電為該第二數值。
  13. 如請求項1所述之直流對直流變換裝置的控制方法，其中包括：對於當前輸入直流電值，若占空比為該第一預設範圍內最大值時，當輸出直流電值小於該第二數值則控制該占空比以調整該輸出直流電為該第一數值。
  14. 一種直流對直流變換裝置，其中該直流對直流變換裝置包括：一直流對直流功率轉換單元，包括至少一開關器件，所述直流對直流功率轉換單元接收一輸入直流電輸出一對應的輸出直流電；一輸出檢測電路，檢測所述輸出直流電以輸出一直流電檢測信號；和一控制驅動單元，包括：一核心控制驅動器，輸出一控制驅動信號至所述開關器件；和一電壓控制信號轉換器，接收該直流電檢測信號和一預設輸出直流電信號輸出一控制信號至該核心控制驅動器，所述電壓控制信號轉換器當前輸出的該控制信號反饋至該電壓控制信號轉換器，該電壓控制信號轉換器設置有允許該控制信號變化的控制信號預設範圍，該電壓控制信號轉換器根據當前該直流電檢測信號調整預設輸出直流電信號直至該控制信號控制在該控制信號預設範圍。
  15. 如請求項14所述之直流對直流變換裝置，其中所述電壓控制信號轉換器包括：一控制信號處理器，所述控制信號處理器設有控制信號預設範圍和接收當前該控制信號，比較當前該控制信號和控制信號預設範圍而輸出預設輸出直流電信號調節量； 一輸出直流電調節模塊，接收預設輸出直流電信號調節量、該預設輸出直流電信號和該直流電檢測信號輸出一電壓控制信號；以及一電壓信號轉換器，接收該電壓控制信號輸出該控制信號。
  16. 如請求項15所述之直流對直流變換裝置，其中所述輸出直流電調節模塊包括：一預設直流電調節器，接收所述預設輸出直流電信號和所述預設輸出直流電調節量以輸出一參考輸出直流電信號並將當前所述預設輸出直流電信號更新為當前所述參考輸出直流電信號；和一電壓調節器，接收所述參考輸出直流電信號和所述直流電檢測信號以輸出所述電壓控制信號。
  17. 如請求項16所述之直流對直流變換裝置，其中，該輸出直流電調節模塊更包括：一飽和限幅器，該飽和限幅器設置于該預設直流電調節器與該電壓調節器之間，限定所述參考輸出直流電信號於一設定範圍內。
  18. 如請求項15所述之直流對直流變換裝置，其中該電壓控制信號轉換器更包括：一非線性控制器，該非線性控制器設置于該控制信號處理器與該輸出直流電調節模塊之間，該預設輸出直流電信號調節量經所述非線性控制器輸出至該輸出直流電調節 模塊。
  19. 如請求項14所述之直流對直流變換裝置，其中所述直流對直流變換裝置為諧振型直流對直流裝置，該電壓控制信號轉換器輸出的控制信號為頻率信號。
  20. 如請求項14所述之直流對直流變換裝置，其中所述直流對直流變換裝置為PWM型直流對直流裝置，該電壓控制信號轉換器輸出的控制信號為占空比信號。
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