TWI548190B - 根據控制法則來控制功率轉換器的功率級之控制器及方法 - Google Patents

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Description

根據控制法則來控制功率轉換器的功率級之控制器及方法
本發明涉及一種基於暫態正規化之適應性控制器、一種相關的功率轉換器及一種相關的方法。本發明特別地涉及一系統內之一DC/DC轉換控制器，該系統會自動地特徵化一DC/DC轉換器的功率級，並因應特徵來調準一補償器。
習知技術之系統已解決DC/DC轉換器調準的問題，其係經由使用者方便且易取得的裝置來手動調整控制器回應，例如先前技術[1]。先前技術[2]確認了一DC/DC轉換功率級具有可推導出一方便的方法來縮放一預先設計的補償器的特性，如此一來當功率級參數改變時，其開迴路交越頻率及相位邊限會保持在近似於常數，這使其本身可由終端使用者手動調準，而不需要重新設計補償器。
適應性控制方法已被應用在DC/DC轉換器調準的問題上面。先前技術[3]及[4]應用了非參數方法，其涉及將一正弦波干擾(見先前技術[3])或感應迴路震盪(見先前技術[4])加入系統中，以測量迴路特性，例如相位邊限。然而，這些方法可能會被外部干擾影響，例如這些干擾在負載點調節應用上可能是常見的，且再者，可能在輸出電壓上引進顯著的干擾， 從而影響調節性能。
先前技術[5]提出了一模型參考脈衝回應方法，其中提出兩種方法來特徵化系統的脈衝回應，其涉及系統之一一次性快速特徵化及一長期統計特徵化。雖然先前技術[5]及[6]所提出之統計方法可以在線上使用，但由於所需要的雜訊序列的長度，收斂時間對許多應用來說過久，且所引入的雜訊干擾可能是令人不快的。先前技術[5]所提出的脈衝擾動方法需要重複引進一實驗脈衝，同時執行一2-參數搜尋來決定調節器參數。這會在調準期間引進干擾，並遭受與先前技術[3，4]同樣的缺點，就是關於對外部干擾的敏感性以及在雜訊存在下之非最佳化收斂。
先前技術[7]之控制器顯示如何能在一前饋控制器中使用一LMS濾波器來調準一單一增益，但並未解決調節器的一般轉移函數的適應性控制的問題。該問題在先前技術[8]及[9]中獲得解決，其中根據預測錯誤之功率之最小化使用一預測錯誤濾波器(PEF)來調準迴路。然而，控制器適應性之偽開迴路要求可能會導致初始輸出電壓調節遠小於所需要的，且2-參數控制系統可能易於發散，因此一不穩定的控制器可能會導致某些情況。這些問題在先前技術[10]中獲得解決，其中使用PEF來調整兩個控制器之間的平衡。但有幾個缺點，例如：i)要求預先設計及實施兩個控制器對許多使用者而言過於複雜；ii)預測錯誤之反覆最小化要花費一些時間，這表示在收斂期間折衷處理調節，因為控制器的初始狀態太保守；iii)對兩個固定控制器中的共同狀態變數的要求表示他們無法做為積分控制器，且缺乏改變控制器的積分增益的能力是維持系統的 脈衝回應的一限制因素。
同樣地，先前技術[8]、[9]及[10]都將控制結構的類型限制在具有用於穩態調節的一前饋元件的ARMA(零/極/非積分)型結構。大多數的控制器是PID，且具有能夠不受限制地自動調準或調整PID補償器的顯著優點。
PCT/EP2014/063987涉及一種調整終端使用者設計空間中之一補償器的方法，例如輸出電容，以及一供終端使用者來配置該補償器的裝置，從而選擇最適當的調整值。考慮到當一功率級參數改變時，維持原系統的回應是有益的，例如電容C，為了達成一類似的回應，決定補償器必須改變的方式是被期望的回應。亦即，這個目標可經由以常規方式來設計一基準補償器，及設計一裝置以根據例如新的C值來改變補償以維持系統效能來實施。資料顯示這樣的關係可以被維持，例如，假如以下列方式從初始值來改變一PID控制器的比例增益Kp、積分增益Ki及差動增益Kd：F=Cnew/C, Kinew=Ki * sqrt(F)， Kdnew=Kd * F， Kpnew=Kp *F，其中Ki、Kp及Kd代表初始PID控制器的增益(亦即初始補償器係數組)，Kinew、Kpnew、Kdnew分別代表改變後的值以維持系統回應，而Cnew及C代表整體電容之新的值及初始值。電容C係作為一個例子，且系統並未受限於此，而亦可以類似的方法來調整其它參數(例如L)中的變化是顯而易知的。
1.改變一DC/DC轉換器模組之暫態響應特性之電路與方法 “美國專利號7432692,2008
2. Kelly,A.用於設計與選擇一DC-DC轉換器之補償器之系統與方法.美國專利商標局臨時專利申請案，2013年7月
3. Morroni,J.,R.Zane，及D.Maksimovic.基於用於數位化控制的DC-DC轉換器之期望的相位邊限來設計與實現一適應性調準系統.IEEE電力電子學報，2009.24(2)：559-564頁4. Stefanutti,W.等.基於繼電器回授自動調準數位化控制的降壓轉換器.2005年巴西勒西菲，電力電子專家會議
5. Costabeber,A.等，基於一參考脈衝回應模組數位自動調準DC-DC轉換器.IEEE電力電子學報，2011.26(10)：2915-2924頁
6. Miao,B.,R.Zane，及D.Maksimovic.實用線上識別功率轉換器之動態響應.2005年美國德州奧斯汀，IEEE應用電力電子會議
7. Kelly,A.及K.Rinne.藉由直接極點配置及適應性前饋增益調整來控制DC-DC轉換器.2005年德州奧斯汀，IEEE應用電力電子會議
8. Kelly,A.及K.Rinne.用於開關型轉換器之一基於線性預測而自我補償之適應性數位調整器.2006年IEEE第21年度應用電力電子會議暨展覽會.2006年APEC
9. Kelly,A.一自我補償之閉迴路適應性控制系統.美國專利號7,630,779，美國專利商標局
10. Kelly,A.用於一DC-DC功率轉換器之適應性控制系統.美國專利申請號2010005723
利用PCT/EP2014/063987所揭露之調準方法提供了一個適當的控制器，以於功率級參數改變時維持一DC/DC轉換器的系統回應特 性，且與標準PID控制結構相容。但目前缺乏一個特徵化功率級以及因應所特徵化的功率級而自動改變控制器特性的裝置。沒有先前技術適合執行該特徵化：快速地(例如在理想情況下因應調節器之輸出上的一單一負載步進干擾)；不會引進額外干擾；對外部干擾不敏感。
因此，需要的是一個會自動地特徵化一DC/DC轉換器之功率級以及因應特徵化而調準一補償器的系統。
本揭露內容之一目的係提供一用於一功率轉換器之控制器，其會自動地特徵化一DC/DC轉換器之功率級以及因應特徵化而調準一補償器。
該目的係經由根據獨立裝置請求項之一控制器及獨立方法請求項之用於控制一功率級的一方法來達成。附屬項涉及本發明之進一步的面向。
本發明涉及一根據一控制法則來控制一功率轉換器的一功率級的控制器，該控制法則實施一特定補償器類型，並被預先設計以產生用於該功率級之一構件之一預設參數值的一預設功率轉換器之一目標回應。
該回應可以是對任何迴路干擾的回應，例如，一負載步進回應(load step response)。其也可以是任何類似的迴路干擾(對負載的輸出電壓具有觀察到的效應)。例如，在工作週期或電壓設定點(set-point)上的干擾也會在該輸出電壓上產生一負載回應，該輸出電壓可以被設計成該目標回應。
該控制器更被配置成對於該功率級的該構件的一實際參數 值確定一實際回應，以及對於該功率級的該構件的該實際參數值，改變該控制法則，以使該實際回應與該負載步進回應相匹配。該控制器藉由濾波該實際回應以產生一濾波後的實際回應以及積分該濾波後的實際與一延遲的實際回應之一乘積，來確定該實際回應與該目標回應間之一匹配度。
被用來濾波該實際回應的濾波器可能包括該目標回應的一反向濾波器，以使得精確匹配該目標回應的實際回應，將導致除了該濾波後的實際回應的一第一樣本外來自濾波器的零輸出。
較佳的是，該延遲的實際回應是被延遲一個樣本以補償非零的該濾波後實際回應的第一樣本，即使該濾波器是該目標回應的一反向濾波器。因此，藉由延遲該實際回應一個樣本得出用於該實際與該目標回應間匹配度的一零值。
該控制器更可被配置為藉由一線性時間不變增益或與該實際回應強度相依的一增益(例如被該實際回應的2-範數所除之常數)來調準該實際回應與該目標回應間的該匹配度以改變該控制法則。
該被縮放的匹配度被相應地提供給一補償器及被使用來調準該補償器。該補償器可以是一PID補償器。
因此，該控制器在干擾存在下可靠地操作。沒有額外干擾的需求。為了維持系統特性(該些特性為現存的DC/DC轉換器所需的，包含非線性控制特性)，該控制器適用於標準、單一預先設計的預設補償器，其包含一積分補償器，例如一PID。
該控制器可以操作為i)一次性線上特徵化該系統，其要求快速系統識別； ii)適應於隨時間之改變而線上連續操作。
該控制器更可被配置為藉由從複數個類型的補償器中選擇另一類型補償器，以及藉由改變實施用於該功率轉換器的該構件的實際參數值之其它類型補償器之控制法則來改變該控制法則，以使得對應於該預設功率轉換器之該其它類型補償器的一目標回應與該實際回應相匹配。
該控制器更可被配置為最佳化該複數個類型補償器中的一類型補償器及相對應的控制法則。
本發明更相關於一功率轉換器，其包括如上所述之一控制器及用於儲存該複數個類型補償器的一非揮發性記憶體。
本發明更相關於根據一控制法則來控制一功率轉換器的一功率級之方法，該控制法則實施一特定類型的補償器。該方法包括：提供被預先設計的該控制法則，以產生一用於該功率級的一構件的一預設參數值之預設功率轉換器之目標回應；確定用於該功率級的該構件的一實際參數值之實際回應；以及改變用於該功率級的該構件的該實際參數值之控制法則，以使得可藉由濾波該實際回應以產生一濾波後的實際回應，以及，積分該濾波後的實際回應及一延遲的實際回應之乘積，以藉由確定該實際回應與該目標回應間之一匹配度而使該實際回應與該目標回應相匹配。
21、1321‧‧‧濾波器
22、1322‧‧‧延遲
24、1324‧‧‧積分器
131‧‧‧特徵化區塊
132‧‧‧縮放調準區塊
133‧‧‧補償器
(a)‧‧‧目標負載步進
(b)‧‧‧低阻尼
(c)‧‧‧過阻尼
h、y‧‧‧向量
w‧‧‧調整值
圖式將藉由下列實施例作說明，其中第1圖顯示該負載步進回應；以及第2圖顯示該負載步進回應特徵化系統；以及第3圖顯示當a=0.5時之向量u(目標回應)；以及 第4圖顯示當a=0.5時之向量y；以及第5圖顯示當a=0.2時之向量u；以及第6圖顯示當a=0.2時之向量y；以及第7圖顯示當a=0.8時之向量u；以及第8圖顯示當a=0.8時之向量y；以及第9圖顯示當a=-0.5時之向量u；以及第10圖顯示當a=-0.5時之向量y；以及第11圖顯示由一第二階脈衝回應引起之向量u；以及第12圖顯示由一第二階脈衝回應引起之向量y；以及第13圖顯示一自動調準補償器；以及第14圖顯示當一降壓轉換器(buck converter)有特性在4.0ms調準之降壓轉換器之輸出電壓及電感電流導致之後的改良負載步進回應。
該負載步進回應為DC/DC轉換器非常重要之一動態特性，但該回應與該轉換器之迴路增益/相位以及開迴路輸出阻抗相依。雖然該迴路增益/相位改變該閉迴路輸出阻抗，但具有相似迴路特性的轉換器可能具有不同的負載步進回應。因此，基於特徵化該負載步進回應的形狀之方法相較於特徵化迴路頻寬/相位邊限的方法更為有益。
為了特徵化該負載步進回應，有必要具有代表所欲之回應之目標負載步進回應。該特徵化方法識別出該負載步進回應與該目標負載步進回應相比較之顯著特性。記住，該回應的強度隨著負載步進量值及邊緣率(edge-rate)而步進，例如，涉及該回應與該目標回應間某個差異(即，減法) 函數的方法，將會出現問題。請參照第1圖，該目標負載步進(a)代表所欲回應之特性；低阻尼(b)回應以及過阻尼(c)示出用以比較回應。
為了特徵化該負載步進回應及量化它如何與該目標回應良好匹配，該負載步進回應(u)被施加至一濾波器21，如第2圖所示。
該濾波後的實際負載步進回應與該實際負載步進回應相乘(請見級23)，以及被積分器24積分，以確定該實際負載步進回應與該目標負載步進回應間之匹配度。
一延遲22被須要來從該濾波器移除該第一樣本。該濾波器可以被設計為該目標負載步進回應的一反向濾波器，以使精確匹配該目標回應之實際負載步進回應導致來自該濾波器之零輸出(忽略該第一樣本)，且因此該濾波後及原本的實際負載步進回應之乘積的積分為零。
例如，考慮以向量u(第3圖)表示的目標負載步進回應(其中u=[1,a,a2,a3,...,an])，被施加至脈波回應為向量h的濾波器，其中h=[1,-a]。該濾波器輸之結果訊號為向量y(第4圖)，其中y=u，h，且因此y=[1,a-a,a2-a2,a3-a3,...,an-an]，其簡化成y=[1,0,0,0,...,0]。先驗地假設零值訊號，延遲u一個樣本得出u’，其中u'=[0,1,a,a2,a3,...,an]，並且該乘積之積分結果因而為v，其中v=u'，y=0。
現在思慮u=[1,b,b2,b3,...,bn]被施加至脈衝回應為向量h的濾波器，其中h=[1,-a]。該濾波器之結果訊號為y=[1,b-a,b2-ab,b3-ab2,...,bn-abn-1]。當b>a，該向量y簡化為一正值向量(不管該第一值)，且因此該乘積之積分結果因而為正(第7圖，第8圖)。當b<a，該向量y簡化為一負值向量(不管該第一值)，且該積分結果因而為負(第5圖，第6圖)。
該參數'a'在負值模擬振盪回應(第9圖)，其導致一向量y(第10圖)，其乘積之積分(不管該第一值)為負。
因此，可以清楚地發現，該提出的特徵化系統在完成該實際回應與該目標回應間一匹配測量後，產生一值，其強度及符號是該實際回應及目標回應間的匹配估量，零值結果是針對回應該目標回應之精確匹配，正結果值是當'a'大於該所欲之值時，負結果是當'a'小於該所欲之值或為負時。
一簡易2節點(第一階)FIR濾波器被考慮用來清楚解釋，但很明顯地，較高階FIR濾波器或IIR濾波器會被用來特徵化較高階目標回應。例如，該目標回應向量與一濾波器的脈衝回應相等之目標回應向量(該濾波器的轉移函數為(1-0.1z-1)/(1-1.3z-1+0.36z-2)示於第11圖)。第12圖顯示出其在被該第二階IIR濾波器正確地特徵化，該第二階IIR濾波器之轉移函數為：(1-1.3z-1+0.36z-2)/(1-0.1z-1)。
第2圖之該特徵化系統之輸出可被用來調整如第13圖所示之一PID補償器，其中該補償器區塊133為一DC/DC轉換器的一構件，以及該縮放區塊132將該特徵化區塊131連接到該補償器間。該補償器133被該調整值w調整。
縮放區塊132適合作為i)一線性時間不變增益；ii)一增益，其回應於被特徵化訊號(u)之強度，例如K/|u|，其中|u|代表u之2-範數或其他合適的函數。(ii)的優點是，如果結果訊號是由一小輸入訊號u產生，則從特徵化區塊輸出之結果訊號會被較大幅度地放大。因此，這意 味著調整補償器強過同樣的訊號是否來自一大輸入訊號u的需求。
第14圖顯示當一降壓轉換器(buck converter)具有調準至4.0ms之特性時之輸出電壓及電感電流，及經調準後之改良負載步進回應。調整值w也被顯示出用來特徵化脈衝，且僅在一負載步進脈衝後立即導致改良的補償器調準，如同所需。
如前所述，因為特徵化在負載步進脈衝回應上實施，因此顯然這個方法可以操作在非線性補償器上，例如，根據系統在一特定瞬間時之狀態下，啟動不同的補償器，此外並與非線性DPWM再啟動技術相容。
在特徵化後，調整值w可以被儲存在NVM以待當轉換器從切斷電源狀態下緊接者開啟電源時被運用。另外，調整值(或其類似)可以透過一通訊匯流排(串列或平行)聯繫，以提供關於回應的特徵化資訊，資訊在設計及終端電源系統品質控制上是有助益的。例如，如果觀察到值自之前的特徵化後改變或與預期中的值具有很大差異，那麼使用者就會被警告以立即作出反應(例如一構件即刻發生故障)。
顯然這樣的組合及其他的將會非常有利。
21‧‧‧濾波器
22‧‧‧延遲
24‧‧‧積分器
h、u、y‧‧‧向量

Claims (15)

  1. 一種根據一控制法則來控制一功率轉換器的一功率級之控制器，該控制法則實施一特定類型補償器，並被預先設計對於該功率級的一構件的一預設參數值產生一預設功率轉換器之一目標回應；該控制器更被配置成對於該功率級的該構件的一實際參數值確認一實際回應；該控制器更被配置成對於該功率級的該構件的該實際參數值改變該控制法則，如此可藉由濾波該實際回應以產生一濾波後的實際回應以及積分該濾波後的實際回應及一延遲的實際回應的一乗積，來確認該實際回應與該目標回應間之一匹配度，進而使該實際回應與該目標回應相匹配。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制器，其中該延遲的實際回應被延遲一個樣本。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之控制器，其中被用來濾波該實際回應的一濾波器包含該目標回應的一反向濾波器，如此精確匹配該目標回應的一實際回應，將從該濾波器導致除了該濾波後的實際回應的一第一樣本外的一零輸出。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之控制器，其中該控制器被配置為藉由縮放該實際回應與該目標回應間的該匹配度以改變該控制法則。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之控制器，其中該控制器被配置為藉由一線性時間不變增益來縮放該匹配度。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之控制器，其中該控制器被配置為藉由取決於該實際回應強度的一增益來縮放該匹配度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制器，其中該控制器被配置為藉由被該實際回應的一2-範數除之一常數來縮放該匹配度。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之控制器，該控制器更被配置為藉由從複數個類型的補償器中選擇另一類型補償器，以及藉由改變實施用於該功率轉換器的該構件的一實際參數值之其它類型補償器的該控制法則來改變該控制法則，如此對應於該預設功率轉換器之該其它類型補償器的一目標回應就與該實際回應相匹配。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制器，該控制器更被配置為最佳化該複數個類型補償器中的一類型補償器及該相對應的控制法則。
  10. 一種包含如申請專利範圍第9項所述之一控制器之功率轉換器，該功率轉換器包含用於儲存該複數個類型補償器的一非揮發性記憶體。
  11. 一種根據一控制法則來控制一功率轉換器的一功率級的方法，該控制法則實施一特定類型的補償器，該方法包含：提供該被預先設計的控制法則，對於該功率級的一構件的一預設參數值產生一預設功率轉換器的一目標回應；對於該級的該構件的一實際參數值確定一實際回應；以及對於該功率級的該構件的該實際參數值改變該控制法則，如此可藉由濾波該實際回應以產生一濾波後的實際回應，以及積分該濾波後的實際回應及一延遲的實際回應的一乘積，來確定該實際回應與該目標回應間之一匹配度，進而使該實際回應與該目標回應相匹配。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，該方法更包含：延遲該實際回應一個樣本。
  13. 如申請專利範圍第11項或第12項所述之方法，其中濾波一實際負載步進回應包含使用該目標回應的一反向濾波器，如此一來一精確匹配該目標回應的實際回應，將從該濾波器導致除了該濾波後的實際回應的一第一樣本外的一零輸出。
  14. 如申請專利範圍第11項或第12項中任一項所述之方法，其中改變該控制法則包含：從複數個類型的補償器中選擇另一類型補償器；以及改變實施用於該功率級的該構件的一實際參數值實施之其它類型補償器的該控制法則，進而使該實際回應與該其它類型補償器的該目標回應相匹配。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，該方法更包括：最佳化該複數個類型補償器中的一類型補償器及其該相對應的控制法則。
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