TWI617125B

TWI617125B - Resonance control device and resonance control method thereof

Info

Publication number: TWI617125B
Application number: TW105142360A
Authority: TW
Inventors: shao-jie Lu
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TW201824725A

Abstract

本發明係揭露一種諧振控制裝置及其諧振控制方法，其係控制一諧振轉換器，諧振轉換器連接一負載，負載上有一輸出電壓。首先，利用一設定電壓對輸出電壓進行電壓補償，以產生一控制數值。接著，根據控制數值與切換數值產生二脈波調變訊號，以藉此驅動諧振轉換器調整輸出電壓，每一脈波調變訊號具有最大頻率與最小頻率，切換數值等於最小頻率除以最大頻率，且小於0.5。最後，判斷控制數值是否小於切換數值，若是，產生作為脈波調變訊號之脈波寬度調變訊號，且其頻率小於最大頻率，以增加輸出電壓之下限範圍。

Description

諧振控制裝置及其諧振控制方法

本發明係關於一種應用於電源供應器的諧振控制技術，且特別關於一種諧振控制裝置及其諧振控制方法。

近幾年各式電子產品皆朝向精密與小型化的方向發展，傳統的電能轉換器不論在體積與效率上皆無法滿足現今的需求，電能轉換器被要求提高功率密度(Power Density)，故1970 年代功率半導體技術成熟時，切換式電源才廣泛應用在電源上，因此現今高效率的切換式電源供應器(Switch Mode Power Supply, SMPS)為產業在電源設計方面的重點。

切換式電源供應器會採用半橋式諧振轉換器或全橋式諧振轉換器，半橋式諧振轉換器與全橋式諧振轉換器的效率高，這邊舉半橋式諧振轉換器為例，其大體皆設成如第1圖所示，包含一訊號控制器10、一第一電子開關12、一第二電子開關14、一諧振槽16與一變壓器18，其中第一電子開關12與第二電子開關14皆為N通道金氧半場效電晶體。理論上，訊號控制器10產生二脈波調變訊號，以控制第一電子開關12與第二電子開關14交替切換，即當第一電子開關12導通時，第二電子開關14關閉，使能量從高電壓端VH儲存於諧振槽16中，同時傳遞能量到負載20，當第一電子開關12關閉時，第二電子開關14導通，使能量從諧振槽16中，釋放於低電壓端VL。變壓器18接收諧振槽16之能量，以將轉換成一輸出電壓Vo，並施加輸出電壓Vo在負載20上，以產生一輸出電流Io。輸出電壓Vo與輸出電流Io形成一輸出功率W。諧振轉換器的工作模式包含脈波寬度調變（PWM）模式或脈波頻率調變（PFM）模式。參考第2圖，在脈波寬度調變模式時，脈波調變訊號為脈波寬度調變訊號，脈波寬度調變訊號之責任週期D從一臨界值d開始增加，直到責任週期D為0.5為止。在脈波頻率調變模式時，責任週期D為固定值，脈波調變訊號為脈波頻率調變訊號。在脈波頻率調變模式時，脈波頻率調變訊號之頻率F隨輸輸出功率W遞減而遞增，脈波頻率調變訊號之頻率F從最小頻率f1開始遞增，直到頻率F等於最大頻率f2為止。在脈波寬度調變模式時，脈波寬度調變訊號之頻率F等於最大頻率f2。若此半橋式諧振轉換器欲操作在輸出電壓Vo之下限範圍工作，則脈波寬度調變訊號之頻率F必須提高，以維持輸出電壓Vo。然而，由於硬體上的限制，脈波調變訊號之頻率F不能無限制提高，因此，造成半橋式諧振轉換器不適合應用在輸出電壓Vo操作在寬廣範圍的場合上。再者，如果以脈波寬度調變模式來工作，則因為必須處在高頻狀態，切換損失較大，雜訊較高。另外，在數位控制上，容易因為訊號控制器10之脈波寬度調變模組之解析度不足，導致輸出電壓Vo不穩定。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種諧振控制裝置及其諧振控制方法，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種諧振控制裝置及其諧振控制方法，其係在不增加硬體成本之前提下，設定一切換數值，一般為小於0.5，且對應脈波調變訊號之最小頻率與最大頻率，並根據切換數值進行脈波寬度調變模式或脈波頻率調變模式，在脈波寬度調變模式，產生頻率小於最大頻率之脈波寬度調變訊號，以改善諧振轉換器之輕載效率、降低啟動(start-up)諧振電流、降低切換損失與雜訊、提高諧振轉換器之輸出電壓的下限範圍與擴大此輸出電壓之操作範圍。

為達上述目的，本發明提供一種諧振控制裝置，其係包含一迴授控制器與一處理器，迴授控制器連接一諧振轉換器之輸出端，此輸出端連接一負載，負載上有一輸出電壓，輸出電壓施加負載以產生一輸出電流，輸出電流與輸出電壓形成一輸出功率。諧振轉換器例如為LLC全橋式諧振轉換器(full-bridge resonate converter)或LLC半橋式諧振轉換器(half-bridge resonate converter)。迴授控制器接收一設定電壓與輸出電壓，並利用設定電壓對輸出電壓進行電壓補償，以產生一控制數值。處理器連接迴授控制器與諧振轉換器，並預設有一切換數值。處理器接收控制數值，以據此與切換數值產生二脈波調變訊號，並藉脈波調變訊號驅動諧振轉換器調整輸出電壓。每一脈波調變訊號具有最大頻率與最小頻率，切換數值等於最小頻率除以最大頻率，小於0.5。此最大頻率由諧振轉換器之線路之硬體性能所決定，像是電子開關，最小頻率由諧振轉換器之諧振槽所決定，此諧振槽由一諧振電感(Resonating Inductor) 、一激磁電感(Magnetizing Inductor）與一諧振電容(Resonating Capacitor) 串聯而成，最小頻率可為或者。

在控制數值大於或等於切換數值時，脈波調變訊號為脈波頻率調變訊號。在控制數值小於切換數值時，脈波調變訊號為脈波寬度調變訊號，且其頻率係為第一固定值，其係小於最大頻率，並大於或等於最小頻率。脈波頻率調變訊號之責任週期為第二固定值，其係小於或等於0.5，且大於一預設限制值。此預設限制值需大於0。脈波寬度調變訊號之責任週期線性正比於輸出功率，舉例來說，脈波寬度調變訊號之責任週期之最小值與最大值分別等於預設限制值與切換數值。脈波頻率調變訊號之頻率則線性反比輸出功率，舉例來說，脈波頻率調變訊號之頻率之最小值與最大值分別等於最小頻率與最大頻率。

迴授控制器更包含一減法器與一電壓補償器，其中電壓補償器例如為比例積分微分控制器(PID controller)或比例積分控制器(PI controller)。減法器連接諧振轉換器之輸出端，並接收設定電壓與輸出電壓，將設定電壓減去輸出電壓，以得到一差異電壓。電壓補償器連接減法器與處理器，並接收差異電壓，且對其進行電壓補償，以產生控制數值。

本發明提供一種諧振控制方法，其係控制一諧振轉換器，諧振轉換器連接一負載，負載上有一輸出電壓，輸出電壓施加負載以產生一輸出電流，輸出電流與輸出電壓形成一輸出功率。首先，接收一設定電壓與輸出電壓，並利用設定電壓對輸出電壓進行電壓補償，以產生一控制數值。接著，接收控制數值，並據此與切換數值產生二脈波調變訊號，以利用脈波調變訊號驅動諧振轉換器調整輸出電壓，每一脈波調變訊號具有最大頻率與最小頻率，切換數值等於最小頻率除以最大頻率，一般小於0.5。

最後，判斷控制數值是否小於切換數值。在控制數值未小於切換數值時，產生作為脈波調變訊號之脈波頻率調變訊號。在控制數值小於切換數值時，產生作為脈波調變訊號之脈波寬度調變訊號，且其頻率係為第一固定值，其係小於最大頻率，並大於或等於最小頻率。脈波頻率調變訊號之責任週期為第二固定值，其係小於或等於0.5，且大於一預設限制值。此預設限制值需大於0。脈波寬度調變訊號之責任週期線性正比於輸出功率，舉例來說，脈波寬度調變訊號之責任週期之最小值與最大值分別等於預設限制值與切換數值。脈波頻率調變訊號之頻率則線性反比輸出功率，舉例來說，脈波頻率調變訊號之頻率之最小值與最大值分別等於最小頻率與最大頻率。

在接收設定電壓與輸出電壓，並利用設定電壓對輸出電壓進行電壓補償，以產生控制數值之步驟中，係先接收設定電壓與輸出電壓，將設定電壓減去輸出電壓，以得到一差異電壓。接著，接收差異電壓，且對其進行電壓補償，以產生控制數值。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

以下請參閱第3圖與第4圖。以下介紹本發明之諧振控制裝置22，其包含一迴授控制器24與一處理器26，迴授控制器24連接一諧振轉換器28之輸出端，此輸出端連接一負載30，負載30上有一輸出電壓Vo，輸出電壓Vo施加負載30以產生一輸出電流Io，輸出電流Io與輸出電壓Vo形成一輸出功率W。諧振轉換器28例如為LLC全橋式諧振轉換器(full-bridge resonate converter)或LLC半橋式諧振轉換器(half-bridge resonate converter)。諧振轉換器28包含一電子開關組32、一諧振槽34與一變壓器36，電子開關組32依序連接諧振槽34、變壓器36與負載30。諧振槽34由一諧振電感(Resonating Inductor) 、一激磁電感(Magnetizing Inductor）與一諧振電容(Resonating Capacitor) 串聯而成，其中激磁電感並聯變壓器34之一次側，激磁電感之一端透過諧振電感連接電子開關組32，另一端透過諧振電連接電子開關組32。

迴授控制器24接收一設定電壓S與輸出電壓Vo，並利用設定電壓S對輸出電壓Vo進行電壓補償，以產生一控制數值C。處理器26連接迴授控制器24與諧振轉換器28之電子開關組32，並在不增加硬體成本之前提下，預設有一切換數值Tr。處理器26接收控制數值C，以據此與切換數值Tr產生二脈波調變訊號P，並藉脈波調變訊號P驅動諧振轉換器28調整輸出電壓Vo。諧振控制裝置22具有最小頻率f1與最大頻率f2，切換數值Tr等於最小頻率f1除以最大頻率f2，且小於0.5。此最大頻率f2由諧振轉換器28之線路之硬體性能所決定，例如電子開關，最小頻率f1由諧振轉換器28之諧振槽34所決定，最小頻率f1例如為、或者在此兩數值之間。

在控制數值C大於或等於切換數值Tr時，脈波調變訊號P為脈波頻率調變訊號。在控制數值C小於切換數值Tr時，脈波調變訊號P為脈波寬度調變訊號，且其頻率F係為第一固定值，該第一固定值的範圍係小於最大頻率f2，並大於或等於最小頻率f1。脈波頻率調變訊號之責任週期D為第二固定值，該第二固定值的範圍係小於或等於0.5，且大於一預設限制值d，此預設限制值d需大於0。在此實施例中，第二固定值為0.5。脈波寬度調變訊號之責任週期D線性正比於輸出功率W，舉例來說，脈波寬度調變訊號之責任週期D之最小值與最大值分別等於預設限制值d與切換數值Tr，使脈波寬度調變訊號之責任週期D在預設限制值d與切換數值Tr之間。脈波頻率調變訊號之頻率F則線性反比輸出功率W，舉例來說，脈波頻率調變訊號之頻率F之最小值與最大值分別等於最小頻率f1與最大頻率f2，使脈波頻率調變訊號之頻率F在最小頻率f1與最大頻率f2之間。由於本發明將切換數值Tr設定至小於0.5，故脈波寬度調變訊號之責任週期D隨輸出功率W增加卻還未升至0.5時，脈波寬度調變訊號即轉換成脈波頻率調變訊號。換言之，處理器26係以切換數值Tr作為切換脈波寬度調變(PWM)模式與脈波頻率調變(PFM)模式之基準。相對傳統技術，本發明的脈波寬度調變訊號之頻率F比較低，如此，在脈波寬度調變訊號之責任週期D之最大值較小的情況下，導通時間仍然比較長，故能提高諧振轉換器28之輸出電壓Vo的下限範圍與擴大此輸出電壓Vo之操作範圍，以改善諧振轉換器28之輕載效率、降低啟動(start-up)諧振電流及降低切換損失與雜訊。同時因為脈波寬度調變訊號之責任週期D變小，切換數值Tr係影響脈波寬度調變訊號之頻率F，使用者能根據效率需求設定切換數值Tr與脈波寬度調變訊號之頻率F。

迴授控制器24更包含一減法器38與一電壓補償器40，其中電壓補償器40例如為比例積分微分控制器(PID controller)或比例積分控制器(PI controller)。減法器38連接諧振轉換器28之輸出端，並接收設定電壓S與輸出電壓Vo，將設定電壓S減去輸出電壓Vo，以得到一差異電壓VD。電壓補償器40連接減法器38與處理器26，並接收差異電壓VD，且對其進行電壓補償，以產生控制數值C。PID控制器可以採用可程式邏輯控制(programmable logic controllers, PLC)或有安裝面板的數位控制器來實現。

以下介紹本發明之諧振控制裝置之諧振控制方法，請參閱第3圖、第4圖與第5圖。首先，如步驟S10所示，減法器38接收設定電壓S與輸出電壓Vo，將設定電壓S減去輸出電壓Vo，以得到差異電壓VD。接著，如步驟S12所示，電壓補償器40接收差異電壓VD，且對其進行電壓補償，以產生控制數值C。再來，如步驟S14所示，處理器26接收控制數值C，並據此與切換數值Tr產生二脈波調變訊號P，以利用脈波調變訊號P驅動諧振轉換器28調整輸出電壓Vo，諧振控制裝置22具有最大頻率f2與最小頻率f1，切換數值Tr等於最小頻率f1除以最大頻率f2，且小於0.5。最後，如步驟S16所示，處理器26判斷控制數值C是否小於切換數值Tr，若是，如步驟S18所示，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波寬度調變訊號，若否，如步驟S20所示，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波頻率調變訊號。

舉例來說，若最小頻率f1為60k赫茲(kHz)，最大頻率f2為300 kHz，則切換數值Tr為0.2，且預設限制值d為0.1，作為脈波調變訊號P之脈波寬度調變訊號之頻率F係設定至100kHz，作為脈波調變訊號P之脈波頻率調變訊號之責任週期D係設定至0.5。當負載30變輕時，控制數值C變小。當控制數值C小於0.2時，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波寬度調變訊號，其責任週期D取決於輸出功率W。當負載30變重時，控制數值C變大。當控制數值C大於或等於0.2時，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波頻率調變訊號，其頻率F取決於輸出功率W。此外，亦可變動設定電壓S以產生脈波寬度調變訊號或脈波頻率調變訊號。當設定電壓S降低，且輸出電壓Vo尚未變動時，控制數值C變小。當控制數值C小於0.2時，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波寬度調變訊號，其責任週期D取決於輸出功率W。當設定電壓S提升，且輸出電壓Vo尚未變動時，控制數值C變大。當控制數值C大於或等於0.2時，處理器26產生作為脈波調變訊號P之脈波頻率調變訊號，其頻率F取決於輸出功率W。

上述步驟S10與步驟S12亦可由一步驟取代，其係為利用迴授控制器24接收設定電壓S與輸出電壓Vo，並利用設定電壓S對輸出電壓Vo進行電壓補償，以產生控制數值C，接著再依序進行步驟S14及其以下步驟，同樣能改善諧振轉換器28之輕載效率、降低啟動諧振電流、降低切換損失與雜訊、提高諧振轉換器28之輸出電壓Vo的下限範圍與擴大此輸出電壓Vo之操作範圍。

綜上所述，本發明設定切換數值，以降低脈波寬度調變訊號之頻率，並增加諧振轉換器之輸出電壓的下限範圍。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧訊號控制器

12‧‧‧第一電子開關

14‧‧‧第二電子開關

16‧‧‧諧振槽

18‧‧‧變壓器

20‧‧‧負載

22‧‧‧諧振控制裝置

24‧‧‧迴授控制器

26‧‧‧處理器

28‧‧‧諧振轉換器

30‧‧‧負載

32‧‧‧電子開關組

34‧‧‧諧振槽

36‧‧‧變壓器

38‧‧‧減法器

40‧‧‧電壓補償器

第1圖為先前技術之諧振轉換器之電路示意圖。第2圖為先前技術之脈波調變訊號之責任週期與頻率相對輸出功率之曲線圖。第3圖為本發明之諧振控制裝置與諧振轉換器之電路示意圖。第4圖為本發明之脈波調變訊號之責任週期與頻率相對輸出功率之曲線圖。第5圖為本發明之諧振控制方法之流程圖。

Claims

一種諧振控制裝置，包含：一迴授控制器，連接一諧振轉換器之輸出端，該輸出端連接一負載，該負載上有一輸出電壓，該迴授控制器接收一設定電壓與該輸出電壓，並利用該設定電壓對該輸出電壓進行電壓補償，以產生一控制數值；以及一處理器，連接該迴授控制器與該諧振轉換器，並預設有一切換數值，該處理器接收該控制數值，以據此與該切換數值產生脈波調變訊號，並藉該脈波調變訊號驅動該諧振轉換器調整該輸出電壓，其中，該諧振轉換器決定最大頻率與最小頻率，該切換數值等於該最小頻率除以該最大頻率，在該控制數值大於或等於該切換數值時，該脈波調變訊號為脈波頻率調變訊號，在該控制數值小於該切換數值時，該脈波調變訊號為脈波寬度調變訊號，且其頻率係為第一固定值，其係小於該最大頻率，並大於或等於該最小頻率。
如請求項1所述之諧振控制裝置，其中，該脈波寬度調變訊號之責任週期在該切換數值與一預設限制值之間。
如請求項1所述之諧振控制裝置，其中，該脈波頻率調變訊號之責任週期為第二固定值，小於或等於0.5，並大於一預設限制值，而該脈波頻率調變訊號之頻率在該最小頻率與該最大頻率之間。
如請求項3所述之諧振控制裝置，其中，該輸出電壓施加該負載以產生一輸出電流，該輸出電流與該輸出電壓形成一輸出功率，其中，該脈波寬度調變訊號之責任週期線性正比於該輸出功率，該脈波頻率調變訊號之頻率線性反比該輸出功率。
如請求項1所述之諧振控制裝置，其中，該迴授控制器更包含：一減法器，連接該輸出端，並接收該設定電壓與該輸出電壓，將該設定電壓減去該輸出電壓，以得到一差異電壓；以及一電壓補償器，連接該減法器與該處理器，並接收該差異電壓，且對其進行電壓補償，以產生該控制數值。
如請求項5所述之諧振控制裝置，其中，該電壓補償器為比例積分微分控制器(PID controller)或比例積分控制器(PI controller)。
如請求項1所述之諧振控制裝置，其中，該諧振轉換器為LLC諧振轉換器。
如請求項1所述之諧振控制裝置，其中，該最大頻率由該諧振轉換器的線路所決定，該最小頻率由該諧振轉換器之諧振槽所決定，該諧振槽可選擇地包含一諧振電感(Resonating Inductor)L _R、一激磁電感(Magnetizing Inductor)L _M與一諧振電容(Resonating Capacitor)C _R串聯而成，該最小頻率的範圍在以及之間。
一種諧振控制方法，其係控制一諧振轉換器，該諧振轉換器連接一負載，該負載上有一輸出電壓，該諧振轉換器決定最大頻率與最小頻率，該諧振控制方法包含下列步驟：接收一設定電壓與該輸出電壓，並利用該設定電壓對該輸出電壓進行電壓補償，以產生一控制數值；接收該控制數值，並據此與一切換數值產生脈波調變訊號，以利用該脈波調變訊號驅動該諧振轉換器調整該輸出電壓，該切換數值等於該最小頻率除以該最大頻率；以及判斷該控制數值是否小於該切換數值：若是，產生作為該脈波調變訊號之脈波寬度調變訊號，且其頻率係為第一固定值，其係小於該最大頻率，並大於或等於該最小頻率；以及若否，產生作為該脈波調變訊號之脈波頻率調變訊號。
如請求項9所述之諧振控制方法，其中，該脈波寬度調變訊號之責任週期在該切換數值與一預設限制值之間。
如請求項9所述之諧振控制方法，其中，該脈波頻率調變訊號之責任週期為第二固定值，小於或等於0.5，並大於一預設限制值，而該脈波頻率調變訊號之頻率在該最小頻率與該最大頻率之間。
如請求項11所述之諧振控制方法，其中該輸出電壓施加該負載以產生一輸出電流，該輸出電流與該輸出電壓形成一輸出功率，其中，該脈波寬度調變訊號之責任週期線性正比於該輸出功率，該脈波頻率調變訊號之頻率線性反比該輸出功率。
如請求項9所述之諧振控制方法，其中在接收該設定電壓與該輸出電壓，並利用該設定電壓對該輸出電壓進行電壓補償，以產生該控制數值之步驟中，更包含下列步驟：接收該設定電壓與該輸出電壓，將該設定電壓減去該輸出電壓，以得到一差異電壓；以及接收該差異電壓，且對其進行電壓補償，以產生該控制數值。
如請求項9所述之諧振控制方法，其中該諧振轉換器為LLC諧振轉換器。
如請求項9所述之諧振控制方法，其中，該最大頻率由該諧振轉換器的線路所決定，該最小頻率由該諧振轉換器之諧振槽所決定，該諧振槽可選擇地包含一諧振電感(Resonating Inductor)L _R、一激磁電感(Magnetizing Inductor)L _M與一諧振電容(Resonating Capacitor)C _R串聯而成，該最小頻率的範圍在以及之間。