TWI810081B - 交流對直流升壓型轉換器切換控制方法 - Google Patents

交流對直流升壓型轉換器切換控制方法 Download PDF

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Abstract

發明包含一種適用於交流對直流升壓型轉換器切換控制方法，該控制方法，包含：依據輸入電壓、輸出電壓或輸出電壓命令、控制器輸出的激磁開關導通責任週期，線上即時計算去磁同步整流開關切換控制的導通責任週期，防止傳統連續導通模式切換控制，在不連續導通區域所造成的去磁負電流；或是為了避免去磁負電流，在不連續導通區域截止(Turn Off)去磁同步整流開關所造成的顯著的導通損失；具有不用電流零交越偵測電路，減少成本與減少損失的優點。

Description

交流對直流升壓型轉換器切換控制方法
本發明係關於一種交流對直流升壓型轉換器及切換控制方法，特別是關於一種去磁同步整流開關的導通責任週期計算及其切換控制方法。
已知技術的升壓型交流對直流轉換器，其普遍用於雲端伺服器前級交流對直流轉換，後級為直流對直流轉換，為提升整機電源效率80PLUS中最高標準鈦金牌針對電源轉換器輕載效率與重載皆有明確規範，後續將繼續說明傳統控制對於輕載效率的影響。
交流對直流升壓型轉換器傳統的控制方式如第四圖所示，包含：交流電壓源10接於交流對直流轉換器40輸入端，為穩定直流輸出電壓漣波將電容Co並連接於交流對直流轉器40的直流電壓輸出端，輸入電壓偵測20、輸入電流偵測30、輸出電壓偵測50可得到回授信號，包括：輸入電壓回授V in,feedback 、輸入電壓峰值回授V in,peak,feedback 、輸出電壓回授V o,feedback 、輸入電流回授I in,feedback ，經交流對直流轉換器控制器60計算可得激磁開關導通責任週期D，激磁開關切換控制信號產生器80、去磁同步整流開關切換控制信號產生器90，負責交流對直流轉換器開關切換，去磁同步整流開關切換控制信號的導通責任週期為(1-D)或零，當輸入電流回授I in,feedback 大於「設定電流閥值」，去磁同步整流開關切換控制信號的導通責任週期為(1-D)，當輸入電流回授I in,feedback 小於「設定電流閥值」，去磁同 步整流開關切換控制信號的導通責任週期為零；激磁開關切換控制信號的導通責任週期為D，將交流電壓轉換成一直流電壓並具有功率因數修正功能。
該具有功率因數修正功能交流對直流升壓型轉換器，輸入電流追隨輸入電壓塑形輸入電流成正弦波，當輸入電壓為正半周時，輸入電流I in 與其開關切換控制信號在一個切換週期的波形如第五圖所示，輸入平均電流I avg 於載輕、輸入電壓較小條件下會小於二分之一輸入電流漣波di；交流對直流升壓型轉換器傳統的控制方式如第三圖所示，由交流對直流轉換器得到D，激磁開關切換控制信號的導通責任週期為D，去磁同步整流開關切換控制的導通責任週期為完全開啟(責任週期為1-D)或完全關閉(責任週期為0)，設定一電流閥值並與輸入電流比較，目的是確保操作在連續導通區域時再導通(Turn On)去磁同步整流開關，避免在不連續導通區域所造成的去磁負電流；或是為了避免去磁負電流，在不連續導通區域截止(Turn Off)去磁同步整流開關所造成顯著的導通損失，更將影響電流總諧波失真、功率因數，然而載輕的條件下連續導通區域較少，在不連續導通區域會因續流走開關元件的背接二極體造成較大的導通損失降低轉換器效率，且額外的損失產生的廢熱亦將影響到電子裝置的穩定性；因此，如第四圖所示，交流對直流升壓型轉換器傳統的控制方式，該電流閥值設定與開關元件特性及轉換器規格等有關，一般需要利用試誤法(Trial and Error)得到，「設定電流閥值」太小，容易造成開關元件損壞；「設定電流閥值」太大，增加開關元件導通損失，減少系統效率。
本發明內容包含一種控制方法，一種交流對直流轉換器及其切換控制方法，特別是關於一種升壓型架構的交流對直流轉換器，線上即時計算去磁 同步整流開關切換控制的導通責任週期，避免因傳統連續導通模式切換控制下，在不連續導通區域以(1-D)導通責任週期完全導通(Turn On)去磁同步整流開關時所造成的去磁負電流；或是為了改善去磁負電流，在不連續導通區域截止(Turn Off)去磁同步整流開關所造成的顯著的導通損失問題。
為達成本發明之控制方法係上述交流對直流轉換器，包含：一交流對直流轉換器具有交流電源輸入端、直流電源輸出端、輸入電壓偵測、輸入電流偵測、輸出電壓偵測、交流對直流轉換器控制器、激磁開關切換控制信號產生器、去磁同步整流開關切換控制器、去磁同步整流開關切換控制信號產生器。該輸入電壓偵測並接於交流輸入電源兩端偵測輸入電壓信號，輸入電流偵測串接於輸入電壓源端與交流對直流轉換器兩端偵測輸入電流信號，輸出電壓偵測並接於輸出電容Co兩端偵測輸出電壓信號，回授的信號經交流對直流轉換器控制器計算得到激磁開關導通責任週期D，接於激磁開關切換控制信號輸入端。
本發明提出之控制方法如上述，依照伏秒平衡可推得計算的去磁同步整流開關導通責任週期D’計算式，可由公式(1)表示：
Figure 111137608-A0305-02-0006-1
其中V in 為輸入電壓、V o 為輸出電壓。V o 亦可改由輸出電壓命令V ref 表示，去磁同步整流開關導通責任週期D’計算式表示成公式(2)：
Figure 111137608-A0305-02-0006-2
其中輸入電壓V in ，可進一步改由經輸入電壓偵測後得到的輸入電壓回授信號V in,feedback ，去磁同步整流開關導通責任週期D’計算式表示成公式(3)：
Figure 111137608-A0305-02-0007-3
或是將公式(3)中的輸出電壓命令V ref ，改由輸出電壓經輸入電壓偵測後得到的輸出電壓回授信號V o,feedback ，去磁同步整流開關導通責任週期D’計算式表示成公式(4)：
Figure 111137608-A0305-02-0007-4
本發明提出之控制方法如上述，在不同實施例中根據公式(1)~(4)皆可線上即時計算得到計算的去磁同步整流開關導通責任週期D’，依據得到D’與互補導通責任週期(1-D)比較，進一步改變去磁同步整流開關切換控制的控制模式：控制模式一與控制模式二。
本發明提出之控制方法如上述，去磁同步整流開關切換控制改變控制模式為控制模式一，定義為當計算的D’小於(1-D)，此時D SR =D’，定義可表示為公式(5)：
Figure 111137608-A0305-02-0007-5
本發明提出之控制方法如上述，去磁同步整流開關切換控制改變控制模式為控制模式二，定義為當計算的D’大於等於(1-D)，此時D SR =(1-D)，定義可表示為公式(6)：
Figure 111137608-A0305-02-0007-6
本發明提出之控制方法如上述，首先根據公式(1)~公式(4)線上即時計算得到D’，再根據定義如公式(5)、(6)，去磁同步整流開關切換控制改變控制模式為控制模式一或控制模式二，將改變控制模式所得到的DSR接於去磁同步整流開關切換信號的輸入端，達到具有改善傳統控制方式在不連續導通區域時，完全截止(Turn Off)去磁同步整流開關時所造成的顯著的導通損失，又能同時避免在不連續導通區域以(1-D)導通責任週期完全導通(Turn On)去磁同步整流開關時所造成的去磁負電流；且具有不用電流零交越偵測電路，減少成本與減少損失的優點。
為能更進一步瞭解本發明內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，其為佐證本發明之目的、特徵與特點，由此具體化對本發明內容之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明，並非用以對本專利加以限制者。
10:交流電壓源
20:輸入電壓偵測
30:輸入電流偵測
40:交流對直流轉換器
50:輸出電壓偵測
60:交流對直流轉換器控制器
70:去磁同步整流開關切換控制器
80:激磁開關切換控制信號產生器
90:去磁同步整流開關切換控制信號產生器
100:交流對直流升壓型轉換器切換控制
110:電壓控制器
120:電流控制器
130:D限制器
140:D’計算
150:D SR 限制器
160:切換模式控制模組
D:激磁開關導通責任週期
D C :具有限制之激磁開關導通責任週期
D SR :去磁同步整流開關導通責任週期
D SRC :具有限制之去磁同步整流開關導通責任週期
(1-D):互補導通責任週期
D’:計算的去磁同步整流開關導通責任週期
I avg :輸入平均電流
di:輸入電流漣波
C o :輸出電容
V in :輸入電壓
V o :輸出電壓
V in,feedback :輸入電壓回授
V in,peak,feedback :輸入電壓峰值回授
V o , feedback :輸出電壓回授
I in,feedback :輸入電流回授
|V in,uint |:輸入單位電壓
V ref :輸出電壓命令
I ref :輸入電流命令
T S :切換週期
CCM:連續導通區域
DCM:非連續導區
〔第一圖〕係一系統控制方塊圖，說明本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制的一實施例。
〔第二圖〕係一系統控制方塊圖，詳細說明交流對直流升壓型轉換器切換控制的方塊圖的一實施例。
〔第三圖〕係一系統控制方塊圖，詳細說明交流對直流升壓型轉換器切換控制的方塊圖的另一實施例。。
〔第四圖〕係一系統控制方塊圖，說明傳統控制的一實施例。
〔第五圖〕係一波形圖，說明傳統控制開關信號與電流關係。
〔第六圖〕係一波形圖，說明輸入電壓與電路工作模式區間關係。
〔第七圖〕係一波形圖，說明本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制模式一開關信號與電流關係。
〔第八圖〕係一波形圖，說明本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制模式二開關信號與電流關係。
茲有關本發明內容與詳細說明，配合所附圖示說明如下：請參閱本專利代表圖第一圖，第一圖係為本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制方法一較佳實施例之方塊圖。包括：交流電壓源10串接輸入電流偵測30後接於交流對直流轉換器40輸入端；輸入電壓偵測20並接於交流電壓源10兩端可得輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸入電壓峰值回授信號V in,peak,feedback ；輸入電流偵測30串接於交流電壓源與交流對直流轉換器兩端可得輸入電流回授信號I in,feedback ；輸出電壓偵測50並接於輸出電容C o 兩端可得到輸入電壓回授信號V o,feedback ；交流對直流升壓型轉換器切換控制100中又包含：直流轉換器控制器60得到激磁開關導通責任週期D，接於激磁開關切換控制信號產生器80輸入端，去磁同步整流開關切換控制器70得到去磁同步整流開關導通責任週期D SR ，接於去磁同步整流開關切換控制信號產生器90輸入端。
本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制方法中的詳細內容在一實施例中可參閱第二圖，第二圖係為交流對直流升壓型轉換器切換控制100的方塊圖，其中包含：交流對直流轉換器控制器60、去磁同步整流開關切換控制器70、激磁開關切換控制信號產生器80、去磁同步整流開關切換控制信號產生器90、電壓控制器110、電流控制器120、D’計算140、切換模式控制模組160。
在一實施例中，輸入電壓命令V ref 、輸入電壓回授V in,feedback 、輸入 電壓峰值回授V in,peak,feedback 、輸入電流回授I in,feedback 、輸出電壓回授V o,feedback 經交流對直流轉換器控制器60得到激磁開關導通責任週期D，接於激磁開關切換控制信號產生器80輸入端。
激磁開關導通責任週期D與互補導通責任週期(1-D)呈互補關係，然而在實際控制為避免短路需存在死區時間，去磁同步整流開關切換控制器70中的D’計算140，由激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授V in,feedback 、輸出電壓回授V o,feedback 或是輸出電壓命令V ref 經由公式(3)、(4)得到計算的去磁同步整流開關導通責任週期D’，經切換模式控制模組160比較D’與(1-D)關係切換於控制模式一或控制模式二，將改變控制模式所得到的去磁同步整流開關導通責任週期D SR 接於去磁同步整流開關切換控制信號產生器90的輸入端。
在另一實施例中，輸入電壓命令V ref 、輸入電壓回授V in,feedback 、輸入電壓峰值回授V in,peak,feedback 、輸入電流回授I in,feedback 、輸出電壓回授V o,feedback 經交流對直流轉換器控制器60得到激磁開關導通責任週期D，D經過D限制器130得到具有限制之激磁開關導通責任週期D C 後接於激磁開關切換控制信號產生器80輸入端。
激磁開關導通責任週期D與互補導通責任週期(1-D)呈互補關係，然而在實際控制為避免短路需存在死區時間，去磁同步整流開關切換控制器70中的D’計算140，由激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授V in,feedback 、輸出電壓回授V o,feedback 或是輸出電壓命令V ref 經由公式(3)、(4)得到計算的去磁同步整流開關導通責任週期D’，經切換模式控制模組160比較D’與(1-D)關係切換於控制模式一或控制模式二，將改變控制模式所得到的去磁同步整流開關導通責任週期D SR ，D SR 經過D SR 限制器150後得到具有限制之去磁同步整流開關導通責任週期 D SRC 接於去磁同步整流開關切換控制信號產生器90的輸入端。
本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制方法中的詳細內容在另一實施例中可參閱第三圖，第三圖係為交流對直流升壓型轉換器切換控制100的方塊圖，其中包含：交流對直流轉換器控制器60、去磁同步整流開關切換控制器70、激磁開關切換控制信號產生器80、去磁同步整流開關切換控制信號產生器90、電壓控制器110、電流控制器120、D限制器130、D’計算140、D SR 限制器150、切換模式控制模組160。
切換模式控制模組160根據定義如公式(5)，當D’小於(1-D)，去磁同步整流開關控制切換為控制模式一，此時去磁開關導通責任週期為D SR =D’，或是D SR 經過D SR 限制器150的輸出D SRC 。
切換模式控制模組160根據定義如公式(6)，當D’大於等於(1-D)，去磁同步整流開關控制切換為控制模式二，此時去磁開關導通責任週期為D SR =(1-D)或是D SR 經過D SR 限制器150的輸出D SRC 。
第六圖表示在一個輸入電壓為正半周條件下，工作於連續導通區域(CCM)與非連續導通區域(DCM)的分佈，輸入電流I in 隨負載加重，工作於CCM區間會變多DCM區間則減少，反之，輸入電流I in 隨負載減輕工作於CCM區間會減少DCM區間則變多。
第七圖表示去磁同步整流開關控制切換為控制模式一的PWM開關信號波形與其對應的電流關係波形圖，以輸入電壓正半周且工作在DCM區間揭示本發明提出的控制方法可以在輸入電流到零前保持導通(Turn On)去磁同步整流開關，相較傳統控制方式可以有效提升載輕效率，同時在電流到零時關閉去磁開關，避免去磁同步整流開關在不連續導通區域以(1-D)導通責任週期完全導 通(Turn On)所造成的去磁負電流；或是為了避免去磁負電流，並改善在不連續導通區域截止(Turn Off)去磁同步整流開關所造成的顯著的導通損失。
本發明交流對直流升壓型轉換器切換控制方法其控制模式有兩種，依據輸入電壓V in 或是輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓V o 或輸出電壓命令V ref 又或是輸出電壓回授信號V o,feedback 、交流對直流轉換器控制器輸出的激磁開關導通責任週期D，線上即時計算得到計算的去磁同步整流開關導通責任週期D’，變換控制模式為控制模式一與控制模式二，將得到的去磁開關導通責任週期為D SR 或是D SR 經過D SR 限制器的輸出D SRC ，接至去磁同步整流開關切換控制信號產生器的輸入端，目的是在不同操作模式下得到D SR 或D SRC 用以控制去磁同步整流開關的切換導通週期。
10:交流電壓源
20:輸入電壓偵測
30:輸入電流偵測
40:交流對直流轉換器
50:輸出電壓偵測
60:交流對直流轉換器控制器
70:去磁同步整流開關切換控制器
80:激磁開關切換控制信號產生器
90:去磁同步整流開關切換控制信號產生器
100:交流對直流升壓型轉換器切換控制
D:激磁開關導通責任週期
DSR:去磁同步整流開關導通責任週期
Vin:交流電壓源
Iin:輸入電流
Vo:輸出電壓
Co:輸出電容
Vin,feedback:輸入電壓回授
Vin,peak,feedback:輸入電壓峰值回授
Vo,feedback:輸出電壓回授
Iin,feedback:輸入電流

Claims (17)

  1. 一種交流對直流升壓型轉換器切換控制方法，包含：一交流對直流轉換器具有交流電源輸入端、直流電源輸出端、輸入電壓偵測、輸入電流偵測、輸出電壓偵測、交流對直流轉換器控制器、激磁開關切換控制信號產生器、無需設定電流閥值的去磁同步整流關關切換控制器、去磁同步整流開關切換控制信號產生器；其中，該輸入電壓偵測並接於交流輸入電源端偵測輸入電壓信號，該輸入電流偵測串接於輸入電壓源端與交流對直流轉換器兩端偵測輸入電流信號，該輸出電壓偵測並接於輸出電容Co兩端偵測輸出電壓信號；該切換控制方法產生激磁開關切換控制信號與去磁同步整流開關控制信號，分別控制直流升壓型轉換器的激磁開關切換與去磁同步整流開關切換。
  2. 如請求項1所述的控制方法，包含一激磁開關切換控制信號產生器，該產生器連接於交流對直流轉換器控制器輸出端，控制交流對直流轉換器的激磁開關切換；該交流對直流轉換器控制器依照輸入電壓回授信號、輸入電壓峰值回授信號、輸出電壓回授信號與輸出電壓命令，計算得到激磁開關導通責任週期D，將其串接於激磁開關切換控制信號產生器。
  3. 如請求項1所述的控制方法，包含一去磁同步整流開關切換控制信號產生器，該控制信號產生器連接於去磁同步整流開關切換控制器輸出端控制交流對直流轉換器的去磁同步整流開關切換；該去磁同步整流開關切換控制器中的D’計算需要的參數包含連接於交流對直流轉換器控制器輸出端得到激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 或經輸入電壓偵測得到輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓V o 或輸出電壓命令V ref 又或是經輸出電 壓偵測得到輸出電壓回授信號V o,feedback ，將計算得到的D’接於切換模式控制模組，切換模式控制模組改變控制模式得到去磁同步整流開關導通責任週期D SR ，再將其串接於去磁同步整流開關切換控制信號產生器。
  4. 如請求項3所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含：激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 、輸出電壓V o 及公式(1)計算得知。
  5. 如請請求項3所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 、輸出電壓命令V ref 及公式(2)計算得知。
  6. 如請求項3所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓命令V ref 及公式(3)計算得知。
  7. 如請求項3所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓回授信號V o,feedback 及公式(4)計算得知。
  8. 如請求項3所述的控制方法，該切換模式控制模組，係根據D’與(1-D)關係，定義如公式(5)當計算的D’小於(1-D)，切換模式控制模組改變為控制模式一，選擇D SR =D’接於去磁同步整流切換控制信產生器輸入端。
  9. 如請求項3所述的控制方法，該切換模式控制模組，係根據D’與(1-D)關係，定義如公式(6)當計算的D’大於等於(1-D)，切換模式控制模 組改變為控制模式二，選擇D SR =(1-D)接於去磁同步整流切換控制信產生器輸入端。
  10. 如請求項1所述的控制方法，包含一激磁開關切換控制信號產生器，該控制信號產生器連接於交流對直流轉換器控制器輸出端控制交流對直流轉換器的激磁開關切換；該交流對直流轉換器控制器依照輸入電壓回授信號、輸入電壓峰值回授信號、輸出電壓回授信號與輸出電壓命令，計算得到激磁開關導通責任週期D，該激磁開關導通責任週期D再經過D限制器，得到具有限制之激磁開關導通責任週期D C ，再將其串接於激磁開關切換控制信號產生器。
  11. 如請求項1所述的控制方法，包含一去磁同步整流開關切換控制信號產生器，該控制信號產生器連接於去磁同步整流開關切換控制器輸出端制交流對直流轉換器的去磁同步整流開關切換；該去磁同步整流開關切換控制器中的D’計算需要的參數包含連接於交流對直流轉換器控制器輸出端得到激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 或經輸入電壓偵測得到輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓V o 或輸出電壓命令V ref 又或是經輸出電壓偵測得到輸出電壓回授信號V o,feedback ，將D’計算得到的D’接於切換模式控制模組，切換模式控制模組改變控制模式得到去磁同步整流開關導通責任週期D SR ，該去磁同步整流開關導通責任週期再經過D SR 限制器，得到具有限制之去磁同步整流開關導通責任週期D SRC ，再將其串接於去磁同步整流開關切換控制信號產生器。
  12. 如請求項11所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含：激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 、輸出電壓V o 及公式(1)計算得知。
  13. 如請請求項11所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓V in 、輸出電壓命令V ref 及公式(2)計算得知。
  14. 如請求項11所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓命令V ref 及公式(3)計算得知。
  15. 如請求項11所述的控制方法，該去磁同步整流開關切換控制器中D’計算，利用包含激磁開關導通責任週期D、輸入電壓回授信號V in,feedback 、輸出電壓回授信號V o,feedback 及公式(4)計算得知。
  16. 如請求項11所述的控制方法，該切換模式控制模組，係根據D’與(1-D)關係，定義如公式(5)當計算的D’小於(1-D)，切換模式控制模組改變為控制模式一，選擇D SR =D’，D SR 經D SR 限制器得到D SRC 接於去磁同步整流切換控制信產生器輸入端。
  17. 如請求項11所述的控制方法，該切換模式控制模組，係根據D’與(1-D)關係，定義如公式(6)當計算的D’大於等於(1-D)，切換模式控制模組改變為控制模式二，選擇D SR =(1-D)，D SR 經D SR 限制器得到D SRC 接於去磁同步整流切換控制信產生器輸入端。
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