用於電流型電力變換器的自適應斜率補償器的製作方法

2023-09-23 17:14:15

專利名稱：用於電流型電力變換器的自適應斜率補償器的製作方法
技術領域：
本發明領域本發明涉及電力變換器，更具體地，涉及電流型電力變換器。
本發明背景有各種用於將未調節的輸入電壓變換成經調節的具有特定幅值的輸出電壓的電力變換器。電力變換技術如正向及回掃變換在現有技術中已被詳細描述。雖然與電壓型控制相比電流型控制的優點已廣為體現，但必須在電流環路中加入斜率補償以解決不穩定性問題。許多文章可以解釋電流型及斜率補償的工作原理，例如，(a)Keith H.Billings所著「開關型電源手冊」McGraw-Hill圖書公司出版，P3.148-P3.150；(b)AbrahamI.Pressman所著「開關型電源設計」McGraw-Hill圖書公司出版，P.105-P.136；P.143-P.165頁；(c)「電流型變換器的模化、分析及補償」，Unitrode公司，應用說明U-97；及(d)「電流型電源中的實際考慮」Unitrode公司，應用說明U-111。但是，在傳統的斜率補償技術中仍然存在一些缺點。因此，為了解決這些問題及改善性能，進行了數學分析及實際電路試驗，以建立本發明的基礎。將傳統的斜率補償的特性分析列出如下(A)優點I斜率補償穩定了電流環路。
電流型電力變換器的通用電路表示在

圖1中，其標記定義為Pwr電力變換器TM電力變壓器NPTM的原邊匝數比NSTM的次邊匝數比LPTM的原邊電感LSTM的次邊電感IPTM的原邊電流IPPTM的原邊峰值電流IPATM的原邊平均電流ISTM的次邊電流ISPTM的次邊峰值電流ISATM的次邊平均電流TPwr的開關周期TONT的導通時間TOFFT的關斷時間VOPwr的輸出電壓VINPwr的輸入電壓VSL斜率補償信號的電壓Verr誤差放大器的輸出電壓VRP電阻RP的檢測電壓電力變換器具有兩種截然不同的工作方式連續及不連續的方式。如果考慮較高的電力變換效率，則連續方式比不連續方式的使用普遍得多。以下分析的目的在於弄清楚穩定電流環的判據，即如果電力變換器工作在連續電流方式或如果電力變換器的佔空比大於50％，必需施加斜率補償的最小幅值。斜率m是下降斜率；m＝d Is/d t＝Vo/Ls。圖2表示連續方式電流波形，Ip及Is。ISA＝ISP-(d Is/2)＝ISP-(m/2)·dt；ISA＝ISP-(m/2)·TOFF；ISP＝ISA+(m/2)·(T-TON)。在原邊電流傳感電阻RP上的峰值電壓為VRP＝IPP·RP＝ISP·(NS/NP)·RP＝[ISA+(m/2)·(T-TON)]·(NS/NP)·RP。將斜率補償加到VRP上，該反饋信號表示為VC＝VRP+(VSI/T)·ΔT＝VRP+(VSL/T)·(ΔTON+ΔTOFF)；VC=NSNPRPISA+NSNPRPmT2+TON(VSLT-NSNPRPm2)+TOFFVSLT---(1)]]>因為在時間T中傳送的能量代表在一個周期結束時的功率，則從VIN吸取的功率為P＝LPIP2/(2T)＝[LP·(IPP2-IPA2)]/(2T)，但IPP＝IPA+ΔIP＝IPA+(VIN/LP)·ΔT，則有P=12TLP(VIN2TON2)+VINIPATONT---(2)]]>在關斷期間(TOFF)，電流IPA為不能完全傳送給負載的能量並仍保留在變壓器中。因此，電流IPA的幅值與TOFF及TON相關。由等式(2)容易證明，反饋環通過控制TON調節電力變換器的輸出。輸出電壓Vo被檢測並在誤差放大器(EA)中與一個參考電壓相比較。被放大的誤差電壓Verr(電壓環信號)被傳送到電壓比較器，並與VC(電流環信號)相比較。如圖1所示，導通(ON)時間開始于振蕩器(OSC)的時鐘脈衝及在VC斜坡等於Verr的電平時結束。由此，TON的調節正比於電壓VC及Verr的幅值。數學上，VC與TON之間的關係為αVC/αTON≥0。由式(1)該偏差可表示為VCTON=VSLT-NsNpRPm2]]>這可被定量地看作VSLTNsNPRPm2---(3)]]>如果TON的改變不是正比於VC、αVC/αTON＜0，則反饋環將非線性地振蕩。因此，為了保證環穩定等式(3)必須被滿足。(B)優點II斜率補償改變了電流環的線性度。
在加上斜率補償前，信號VC等於VRPIP=VIVLPT----(4)]]>VRP=(IPA+VINLPTON)RP----(5)]]>這可從等式(2)，(4)及(5)看出，當輸出功率保持恆定時，隨著VIN的下降TON增加及ΔIP減小。在圖3中表示出與VIN及TON相對應的電流波形。與電壓反饋環信號相比較的電流反饋環信號將控制輸出功率及調節輸出電壓。顯然，隨著VIN下降控制環將失去線性及抗噪聲度。該缺點可通過加入斜率補償來改善。
斜率補償單元將保持控制環的最小線性度VC=VRP+VSLT(TON+TOFF)]]>=IPARP+VSLTTOFF+TON(VINLPRP+VSLT)]]>(6)(C)缺點I需要虛負載或最小負載，以避免無負載或輕負載狀態時的不穩定振蕩。
電流型電力變換器其本身是公知的，當輸出處於無負載或輕負載狀態時它將工作在不連續方式，而當輸出功率大或輸入電壓低時它將工作在連續方式。只要電力變換器工作在連續方式，必須如式(3)地加上斜率補償的最小幅值。當電力變換器工作在非連續方式時，其包括電流反饋環信號VC的斜率補償為VC=VINLPRPTON+VSLT(TON+TOFF)]]>
該信號波形被表示在圖4中。它說明在功率控制中非線性偏差的機理。如果信號Verr由於調節下降，其電壓從點C移到點A或點B將引起非線性偏差。因為點A的電壓電平等於點B的電壓電平，但點A及點B的ON時間(TON)是不同的。該差值為(TONB-TONA)，它引起功率控制中的偏差PdPd=VIN22TLP(TONB2-TONA2)]]>(8)由於這個原因，後果是開始於信號Verr的每次改變及可持續一定時間的振蕩。解決該問題的兩個傳統方案是(a)在輸出處設置虛負載。這在無負載或輕負載狀態時得到[IP·RP＞(VSL/T)]。但這將消耗虛負載的功率。(b)在負載上要求消耗最小功率。但是，這不能滿足功率管理的需要。功率管理的實施例是管理僅當工作時消耗功率的系統。因而在不工作時(睡眠方式)不消耗或消耗極少功率。對於功率管理應用中的電力變換器，怎樣節省無負載或輕負載狀態下的功率是一個主要的要求。(D)缺點II不足以理想的線電壓調節。
考慮一下電力變換器是如何相對線電壓變化進行調節的。當VIN升高時，VO最終將上升。在通過電壓反饋環的延時後，Verr下降並且輸出電壓將再下降。除該機制外，還有電流型工作的簡化校正。當VIN上升時，電流IP的斜率增大，因此，VRP斜坡的斜率增加。現在該較快的斜坡值等於Verr及ON時間(TON)縮短。由於該前饋特性，輸入電壓改變引起的輸出電壓改變將在幅度上變小及周期上變短。輸出電壓V0為VO=VINNsNpTONTOFF]]>通過使用等式(7)，如果VC＝Verr，則我們得到TON=Verr(VINLPRP+VSLT)]]>(9)我們可以得出，該前饋特性的環增益將通過增大斜率補償的幅值VSL/T而減小。因此，斜率補償幅值的增加將減小電流反饋環的環增益及由此減小線電壓調節的能力。
圖(5)及(6)表示執行斜率補償的兩種傳統方法。它們不能解決上述的問題且不能在寬的輸入範圍(VIN)上工作。
本發明的目的鑑於上述現有技術的優點及缺點，本發明的目的在於提供一種新的解決方案，以避免這些缺點及獲得寬輸入範圍的電力變換。此外，本發明的目的是(a)改善電力變換效率及節能及(b)減小電力變換器的體積及節省材料費用。
這些目的用新型的斜率補償結構來實現，它允許電力變換器在中等負載或重負載狀態下工作在連續方式中。在輕負載或無負載狀態下不需要最小負載或虛負載。本發明的自適應功能提高了控制環響應低輸入電壓的線性度並允許較大的佔空比(TON/TOFF)。因此，僅需要較小的輸入電容。在離線式電力變換器中，該高電壓、大容量電解電容器是昂貴及大體積的。使用小容量輸入電容器是很緊湊及價格合理的。
根據本發明，一種可編程的電流源包括一個產生斜率信號的電容器。該斜率信號被加到電流反饋環中，用於斜率補償。該斜率信號通過二極體的連接與電力變換器的開關信號同步；可編程的電流源的輸入具有一個電阻，它與電力變換器的電壓反饋環連接，並響應電力變換器的輸入電壓及輸出負載產生斜率信號，其中斜率信號的擺動率及幅值響應於輸入電壓及輸出負載，及斜率信號的信號寬度等於電力變換器開關信號的脈衝寬度。
附圖的簡要說明圖1是表示電流型電力變換器的一個簡化電路；圖2表示連續方式的電流波形；圖3表示在相對高及相對低的VIN時的電流波形；圖4表示其中加入了斜率補償信號的電流環反饋信號，並表示功率控制中非線性偏差的機理；圖5及6分別表示現有技術電路的兩種形式；圖7是表示本發明一個優選實施例的電路概圖；及圖8是輸入電容器中的電壓波形及紋波。
優選實施例的詳細說明圖1表示根據本發明構成的電流型電力變換器的一個實施例。PWM控制部分U1是用於電流型電力變換器的通用控制電路。開關信號VSW(U1的輸出)驅動一個開關MOSFET Q2。變壓器TM與VIN及Q2串聯，用於電力變換。開關頻率是由電容C3及U1中的振蕩器(OSC)確定的。因為U1中的鎖存器由OSC置位及由U1中的比較器(Comp)復位，ON時間開始於OSC的時鐘脈衝及當來自電流反饋環200的信號電壓電平等於來自電壓反饋環150的信號電壓電平時結束。電壓反饋環由誤差放大器U3及光電耦合器U2組成。電力變換器的輸出電壓V0被檢測及與誤差放大器U3中的參考電壓相比較。光電耦合器U2是離線式電力變換器中的絕緣所要求的。否則，放大的誤差電壓會直接饋送到U1的比較器。比較器的另一輸入是電流反饋信號，其中變壓器TM的原邊電流被電阻RP檢測，並通過低通濾波器R5及C5連接到U1。自適應斜率補償器100具有一個pnp電晶體Q1及包括電阻R1，R2和R3以形成可編程的電流源。從U1中的VR供電作為U1的恆定電壓(參考電壓)輸出。可編程電流源的輸出、即Q1的集電極用電容CT接地，該電容用來產生斜率波形及提供用於斜率信號擺動率的時間常數。一個二極體DT連接在可編程電流源的輸出與U1的輸出(VSW)之間，它用於使斜率信號250與開關信號VSW300同步。通過D1及R4的串聯橋接，斜率信號250被加到電流環200上。通過電阻R1，可編程電流源的輸入被連接到任何適合部分，這裡例如為VFB、即電壓反饋環信號，並由此，可編程電流源的輸出電流受到電力變換器的輸入電壓VIN及輸出功率PO的影響。
操作根據本發明，圖7的工作原理如下在ON時間(TON)期間，開關信號VSW為高及二極體DT關斷，電容器CT由可編程電流源充電。數學上，這可表示為VSL=IR3TCT]]>如果Q1的增益(hFE)足夠高，則IR3＝(VR2-VEB(Q1))/R3VR2＝(VR-VFB)·[R2/(R1+R2)]。該等式可改寫為VSL=TR3CT(VR-VFB)R2R1+R2-VEB(Q1)]]>(10)VSLVFB=-R2R3(R1+R2)CTT]]>(11)因為VFB的變化正比於VIN的變化並反比於輸出功率PO的變化，ΔVFB＝+K1ΔVIN-K2ΔPO，式中K1，K2是電壓反饋環的環增益常數。因此，等式(11)可被表示為VSL=R2R3(R1+R2)CTT(-K1VIN+K2Po)]]>(12)在OFF時間(TOFF)期間，開關信號VSW為低，二極體DT導通，電容CT放電，及斜率信號被復位到零。由於斜率信號與開關信號成正比，斜率信號的上升時間ΔT等於ON時間TON。因此，等式(10)及(12)可被寫為VSL=TONR3CT(VR-VFB)R2R1+R2-VEB(Q1))---(13)]]>VSL=(R2R1+R2)TONR3CT(-K1VIN+K2Po)---(14)]]>在圖7電路的具體實施方案中，表示一個50W(PO20VDC/2.5A)的離線式電力變換器，輸入電壓定額為90VAC-265VACRMS，其中使用值為68μF(微法)、400伏的電解裝置作為小輸入電容CIN。使用EFD-30鐵氧體磁芯，它工作在中等負載及全負載狀態下的連續方式。對應於VIN的變化(90VAC-265VAC)獲得了85％-88％的效率。在無負載狀態下其耗電小於2W。根據等式(13)及(14)的原理及實施例中的措施，觀察到以下結果(a)在連續方式及大佔空比工作狀態下該電力變換器的工作是穩定的(例如TON/TOFF＝8/2)。斜率補償分別響應輸出功率的增加或輸入電壓VIN的下降而增大，反之亦然。當VIN下降時斜率補償增大，由此對低VIN提供足夠的線性度。CIN的紋波電壓波形被表示在圖8中。=Po.t=12CIN(Vb2-Va2)]]>CIN=2.Po.tVb2-Va2;whereVb=1.414VIN(AC)]]>因為允許低Va，這意味著允許用小電容器CIN。斜率補償響應VIN的增加而減小，由此維持了線路調節性能及音頻敏感性。
(b)在輕負載及無負載狀態下斜率信號將下降到零。此外，斜率信號與開關信號VSW同步，其中在ON時間(TON)結束時斜率信號復位到零。因此，可避免輕負載或無負載狀態下的振蕩。於是，也不需要虛負載或最小負載。
權利要求
1.一種用於補償電流型電力變換器的自適應斜率補償器，包括可編程電流源，它產生可編程電流接地電容器，它與所述可編程電流源連接，用於產生斜率信號；開關二極體，用於使所述斜率信號與電力變換器的開關信號同步；其中所述斜率信號響應於所述開關信號的關斷信號被復位為零；所述可編程電流源的輸入級具有一個與電力變換器的電壓反饋環連接的輸入電阻，以便影響所述可編程電流及所述斜率信號的幅值；其中所述斜率信號的擺動率在所述開關信號的導通期間響應於所述電壓反饋環的信號；所述斜率信號的擺動率及幅值正比於電力變換器輸入電壓的變化及反比於電力變換器輸出功率的變化；及所述可編程電流源的輸出級具有與電力變換器的電流反饋環相串聯的輸出二極體及輸出電阻，以獲得斜率補償。
2.根據權利要求1的自適應斜率補償器，其中所述可編程電流源包括在其輸出端上的接地電容器，以產生所述斜率信號的波形，及提供調節所述擺動率的時間常數。
3.根據權利要求1的自適應斜率補償器，其中所述可編程電流源的輸出級具有與所述開關信號相連接的所述開關二極體，用於使所述斜率信號同步。
4.根據權利要求1的自適應斜率補償器，其中所述可編程電流源包括一個pnp電晶體，用於電流控制；一個發射極電阻，它連接在所述pnp電晶體的發射極與一恆壓源之間，用於電流設定；一個基極電阻，它連接在所述pnp電晶體的基極與所述恆壓源之間，用於為所述電晶體提供偏壓；一個輸入電阻，可操作地連接到所述pnp電晶體的基極及所述電壓反饋環，用於對所述可編程電流的幅值編程；其中所述可編程電流線性地響應於所述電壓反饋環的所述信號；濾波電容器，它設置在所述pnp電晶體的基極上，用於消除電力變換器的開關噪聲。
5.根據權利要求1的自適應斜率補償器，其中所述電壓反饋環的所述信號的幅度正比於輸入電壓的變化及反比於輸出功率的變化。
全文摘要
公開了一種自適應斜率補償器,它用於補償電流環(200)及改善電流型電力變換器的電路性能。該斜率補償器被電力變換器的電壓反饋環信號(V
文檔編號H02M3/335GK1271473SQ98809407
公開日2000年10月25日 申請日期1998年8月7日 優先權日1997年8月11日
發明者楊大勇 申請人:系統通用公司