TWI542132B - 預測性非連續充電模式控制方法及功率轉換器 - Google Patents
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Description
本發明與一種預測性充電模式控制方法及功率轉換器有關。
切換式直流對直流（DC-DC）轉換器包括可切換功率級，其中輸出電壓是根據切換訊號與輸入電壓而產生。切換訊號是於控制電路中產生，控制電路將輸出電壓調整至參考電壓。第1圖顯示降壓轉換器。切換功率級11包括由高邊場效電晶體（FET）12與低邊FET 13組成的雙開關、電感器14、以及電容器15。在充電相中，高邊FET 12由切換訊號開啟，以及低邊FET13由切換訊號關閉，以對電容器15充電。在放電相中，高邊FET 12關閉且低邊FET13開啟，以使平均電感器電流匹配負載電流。切換訊號是由控制器16產生，其具有由控制定律確定的工作週期的數位脈衝寬度調變訊號。
功率轉換器可以連續傳導模式（CCM）、或非連續傳導模式（DCM）運作。CCM是指在切換週期之間在能量轉換電感器中的電流實質上從未為零，雖然其在從正電流轉換為負電流、或從負電流轉換為正電流時可能在瞬間通過零值。在DCM中，電流在切換週期的實質部分期間變為零。在第1圖所示之降壓轉換器中，主要的效果為，當其從CCM改變為DCM時，其會從一種控制定律變為另一種。在升壓或升降壓系統中，在CCM中存在右半平面零值、但不出現在DCM中。這使得要以良好的動態回應來穩定這些轉換器變得困難許多。
因此，DCM調變一般都需要不同於CCM之補償。因此，從非連續轉換至連續傳導模式需要對補償的快速控制變化。
本發明的目的為提供一種功率轉換器的功率級之控制方法，其可改善從非連續至連續傳導模式（反向亦然）之轉換。
此目的是利用如獨立方法請求項的一種用於控制功率級之方法、以及如獨立裝置請求項的一種功率轉換器來實現。附屬項則與本發明的進一步構想有關。
本發明與一種用於控制功率轉換器功率級之方法有關，功率轉換器被配置以根據控制可切換功率級的控制定律而從輸入電壓產生輸出電壓。該方法包括產生脈衝控制訊號以藉由改變脈衝控制訊號的脈衝寬度而切換功率級，使得脈衝控制訊號的脈衝寬度的平方依賴電壓誤差而產生要於一週期中遞送的電荷量，其中要於一週期中遞送的電荷量取決於電壓誤差及脈衝寬度的平方。
因此，脈衝控制訊號的脈衝寬度的平方依據電壓誤差而改變，以增加或減少要在一週期中遞送的電荷量。電壓誤差是從參考電壓與輸出電壓之間的差異導出。脈衝控制訊號可以是循環週期性的。
這是一種預測性的充電模式控制方法。
過去對於充電控制之嘗試已試著要在遞送電荷量時進行測量。當所測量的電荷量等於所需值時，脈衝即終止。在本發明中，要遞送的電荷量是由系統參數及程式化的脈衝寬度來預測。這簡化了程序，因為不需要測量電荷量，且除了要終止由此技術所預測之脈衝的先驗決定（apriori
decision）以外，也不需要做出關於要終止脈衝的快速決定。
該方法是關於不需要補償非連續傳導模式的一種調變方案。
因此解除了對於快速控制補償變化之需求，因為非連續傳導模式不需要補償。
具體而言，該方法包括產生脈衝控制訊號，使得在一週期中產生電荷量Q
(即，要傳遞的電荷量)為：，其中Vin
為輸入電壓，Vout
為輸出電壓，L
為可切換功率級的電感，而tp
為脈衝控制訊號的脈衝寬度。
熟習技術之人士可知，上述方程式被理想化、且可延伸到考量較高階效應與寄生元件。
當穩態脈衝寬度tss
被另外確定時，該方法可以包括藉由以附加開啟時間td
增強穩態脈衝寬度tss
來產生脈衝控制訊號，使得一週期中之附加電荷量Qd
為。
該方法可進一步包括在產生脈衝控制訊號之前確定穩態脈衝寬度tss
。
本發明進一步與一種功率轉換器有關，功率轉換器包括切換功率級，切換功率級被配置以從輸入電壓產生輸出電壓、並由控制器實施的控制定律來控制，其中控制器被配置以產生脈衝控制訊號，以藉由改變脈衝控制訊號的脈衝寬度來切換功率級，使得脈衝控制訊號的脈衝寬度的平方依賴電壓誤差來產生要於一週期中遞送的電荷量，其中要於一週期中遞送的電荷量取決於電壓誤差及脈衝寬度的平方。
第1圖所示之功率轉換器是以DCM運作。由於是預測性充電模式控制方法，控制器16產生PWM控制訊號以切換可切換功率級，其中脈衝控制訊號被前送至高邊FET 12，而控制訊號的補償被前送至低邊FET 13。控制器16產生脈衝控制訊號，使得在PWM訊號的週期中，電容器15的產生電荷量Q
為，其中PWM訊號的脈衝寬度tp
與所產生之電感器電流的關係顯示於第2圖。
第3圖與第1圖所示之功率轉換器在穩態脈衝寬度tss
被另外決定時的運作。控制器以如虛線所示的附加開啟時間td
來增強PWM訊號的穩態脈衝寬度tss
，使得一週期中的附加電荷量Qd
為。
對電感器電流的影響也同樣示於第3圖中。可觀察到電荷量在週期中增加至與電感器電流的虛線和實線圍繞之面積成比例的程度。
由於在DCM中不需要補償，因此本發明可降低補償所需之時間與心力。這改善了從DCM至CCM之轉換，因此產生一種更為強健的功率轉換器。
11‧‧‧切換功率級
12‧‧‧高邊場效電晶體
13‧‧‧低邊場效電晶體
14‧‧‧電感器
15‧‧‧電容器
16‧‧‧控制器
PWM‧‧‧脈衝寬度調變
12‧‧‧高邊場效電晶體
13‧‧‧低邊場效電晶體
14‧‧‧電感器
15‧‧‧電容器
16‧‧‧控制器
PWM‧‧‧脈衝寬度調變
現將參照附圖進行說明，其中： 第1圖顯示一種習知的可切換降壓轉換器； 第2圖顯示以DCM運作之可切換功率級的電感器電流和脈衝寬度調變（PWM）切換訊號圖；以及 第3圖當可切換穩態工作週期被另外決定時的電感器電流和脈衝寬度調變（PWM）切換訊號圖。
Claims (10)
- 一種功率轉換器的控制方法，該功率轉換器被配置以根據控制一可切換功率級的一控制定律而從一輸入電壓產生一輸出電壓，該方法包括： 產生一脈衝控制訊號以藉由改變該脈衝控制訊號的一脈衝寬度來切換該功率級，使得該脈衝控制訊號的該脈衝寬度的一平方依賴一電壓誤差而產生要於一週期中遞送之一電荷量，其中要於一週期中遞送之該電荷量取決於該電壓誤差及該脈衝寬度的該平方。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該脈衝控制訊號是循環的。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，該方法包括： 產生該脈衝控制訊號，使得在該脈衝控制訊號的一週期中該可切換功率級的一電容的一產生電荷量Q 為：， 其中Vin 為該輸入電壓，Vout 為該輸出電壓，L 為該可切換功率級的一電感，以及tp 為該脈衝控制訊號的該脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，該方法包括： 藉由以一附加開啟時間td 增強一穩態脈衝寬度tss 來產生該脈衝控制訊號，使得當該穩態脈衝寬度tss 被另外決定時，在該脈衝控制訊號的一週期中，該可切換功率級的一電容的一附加電荷量Qd 為。
- 如申請專利範圍第4項所述之方法，該方法進一步包括： 在產生該脈衝控制訊號之前，確定該穩態脈衝寬度tss 。
- 一種功率轉換器，其包括一切換功率級，該切換功率級被配置以從一輸入電壓產生一輸出電壓、以及由一控制器實施的一控制定律來控制，其中該控制器被配置以產生一脈衝控制訊號，以藉由改變該脈衝控制訊號的一脈衝寬度來切換該功率級，使得該脈衝控制訊號的該脈衝寬度的一平方依賴一電壓誤差而產生要於一週期中遞送的一電荷量，其中要於一週期中遞送的該電荷量取決於該電壓誤差及該脈衝寬度的該平方有關。
- 如申請專利範圍第6項所述之功率轉換器，其中該脈衝控制訊號是一循環脈衝控制訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器，其中該控制器進一步被配置以產生該脈衝控制訊號，使得在該脈衝控制訊號的一週期中，該可切換功率級的一電容的一產生電荷量Q 為：， 其中Vin 為該輸入電壓，Vout 為該輸出電壓，L 為該可切換功率級的一電感，而tp 為該脈衝控制訊號的該脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器，其中該控制器被配置以藉由以一附加開啟時間td 增強一穩態脈衝寬度tss 來產生該脈衝控制訊號，使得當該穩態脈衝寬度tss 被另外決定時，在該脈衝控制訊號的一週期中，該可切換功率級的一電容的一附加電荷量Qd 為。
- 如申請專利範圍第9項所述之功率轉換器，該功率轉換器進一步包括用於在產生該脈衝控制訊號之前確定該穩態脈衝寬度tss 之裝置。
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