專利名稱：具有平衡電流的多相功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多相功率變換器，包括具有平衡電流的多相功率變換器。
背景技術(shù)：
本部分的陳述僅提供與本發(fā)明的相關(guān)的背景信息，而不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
已知具有并聯(lián)連接的多個相位電路的各種多相功率變換器。典型地，每 個相位電路包括用于輸送功率到輸出負(fù)載的功率開關(guān)，以及用于控制功率開 關(guān)的占空比的占空比控制器。這些已知的設(shè)計一般允許輸入電流在相位電路 之間分割，由此增加功率變換器的效率。另外，以不同的相角來搡作相位電 路可以抵消功率變換器的輸入和輸出脈動電流。
然而，如果相位電3各中的電流沒有被平衡，輸入和輸出脈動電流的效率 和抵消的益處可能受到損害。諸如開關(guān)、電感器和印刷電路板走線電阻這樣 的電路元件在電阻方面的差異可能導(dǎo)致這種不平衡電流。
已知試圖平衡相位電路中的電流的各種設(shè)計。例如， 一些功率變換器使 用峰值電流模式控制，該峰值電流模式控制試圖直接控制每個相位電路中的 峰值電流。
圖1示出了實施峰值電流模式控制的升壓變換器100。升壓變換器100 包括與三個相位電3各102a-c相連的DC輸入VI和同步每個相位電3各102a-c 以使每個相位電路102a-c以相對于其他相位電路成120度的相角差來進行操 作的同步發(fā)生器104。另夕卜，升壓變換器100包括二極管D4、輸出負(fù)載Rll、 電阻器R9和R10以及電容器C4。
相位電路102a包括電感器Ll、開關(guān)Q1和Q2、功率開關(guān)Q3、電阻器 R2-R6和R8、 二極管D1-D3、電容器C2-C3以及占空比控制器IC1 。占空比 控制器IC1包括內(nèi)部電壓誤差放大器(未示出)、該電壓誤差放大器的輸出 引腳COMP、電流感測引腳ISNS、電壓誤差放大器的反向輸入引腳VFB、 振蕩器引腳RF/CT、參考電壓引腳VREF以及輸出引腳VOUT,輸出引腳 VOUT與功率開關(guān)Q3相連以用于控制功率開關(guān)Q3的占空比(即，功率開關(guān)Q3的導(dǎo)通時間和截止時間)。除了相位電路102b-c不包括電阻器R8和電 容器C3之外，相位電路102a中的電路元件與相位電路102b-c中的電路元 件相同。
在功率變換器IOO的操作過程中，由電阻R9和R10形成的分壓器提供 輸出負(fù)載Rll處的電壓采樣，該電壓采樣被輸入到相位電路102a的占空比 控制器IC1。相位電路102a的內(nèi)部電壓誤差放大器計算和輸出誤差電壓信 號，該誤差電壓信號是采樣電壓和內(nèi)部參考電壓(典型的是2.5V)的放大的 差值。COMP引腳與內(nèi)部電壓誤差放大器的輸出端相連，從而接收誤差電壓 信號。相位電路102a的COMP引腳還與相位電^各102b-c的COMP引腳相 連。因而，所有三個相位電路的誤差電壓信號具有基本相同的電壓。
另外，電流互感器T1感測功率開關(guān)Q3中的電流，且與功率開關(guān)Q3中 的電流成比例的電壓信號經(jīng)由二極管Dl和電阻器R2^L輸入到ISNS引腳。 占空比控制器IC1將ISNS引腳處的電壓信號與電流限制信號相比較，該電 流限制信號與誤差電壓信號的電壓成比例。當(dāng)ISNS引腳處的電壓等于或超 過電流限制信號時，功率開關(guān)Q3截止。
然而，發(fā)明人意識到，峰值電流控制模式的缺點在于當(dāng)源阻抗明顯是電 感性的時，升壓變換器100本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。 一種已知的解決方法是在 DC輸入V1兩端增加大電容，這可能會導(dǎo)致成本高和體積大。
不穩(wěn)定問題的另 一解決方法是實施圖2中所示的升壓變換器200所示的 電壓模式控制。升壓變換器200具有DC輸入VI和同步發(fā)生器104, DC輸 入VI與三個相位電路202a-c相連，同步發(fā)生器104同步相位電路202a-c 以使相位電路202a-c相對于其他相位電路以120度的相角差操作。另外，升 壓變換器200包括二極管D4、輸出負(fù)載Rll、電阻器R9和R10，以及電容 器C4。
如圖2所示，相位電路202a包括電感器Ll、開關(guān)Q1和Q2、功率開關(guān) Q3、電阻器R4、 R6-R8和電阻器R12、電容器C2-C3,以及占空比控制器 IC1。除了相位電路202b-c不包括電阻器R8和電容器C3之外，相位電路 202a中的電路元件與相位電路202b-c中的電路元件相同。
與峰值電流模式控制不同，相位電路202a-c不包括電流傳感器。相反， 在升壓變換器200的操作過程中，占空比控制器IC1的RC/CT引腳處的振 蕩波形信號被開關(guān)Q2緩沖且經(jīng)由電阻器R7和R12形成的分壓器被輸入到占空比控制器IC1的ISNS引腳。然后，將ISNS引腳處的電壓與電流限制 信號相比較。當(dāng)振蕩波形信號的電壓等于或超過電流限制信號時，功率開關(guān) Q3截止。
然而，發(fā)明人意識到，電壓模式控制的缺點在于相位電路202a-c中的電 流被平衡的很差，這主要由于包括每個占空比控制器IC1的占空比的每個相 位電路202a-c中的各個電路元件、每個功率開關(guān)Q3的電阻以及每個電感器 Ll的電阻之間的輕」微失配。
除了峰值電流模式控制和電壓模式控制，已知試圖平衡相位電路電流的 其他設(shè)計。這些設(shè)計典型地需要諸如電流誤差放大器的電流比較電路，這增 加了功率變換器的復(fù)雜度和/或減小了其效率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文提供的描述將會清楚其他應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，這些描述和特 定實例僅用于說明目的，而不是要限制本發(fā)明的范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 一種功率變換器包括多個相位電路，每個相位 電路包括用于輸送功率到功率變換器的輸出端的功率開關(guān)、與功率開關(guān)相連 以用于感測功率開關(guān)中的電流的電流傳感器、具有與該電流傳感器相連的輸 出端的占空比控制器，以及與電流傳感器相連的低通濾波器。低通濾波器被 配置成產(chǎn)生與功率開關(guān)中的平均電流成比例的基本為直流的信號。而且，該 占空比控制器被配置為接收該直流信號且響應(yīng)于該直流信號而控制功率開 關(guān)的占空比，從而平衡相位電^各中的電流。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種用于平衡功率變換器中的電流的方 法，該方法包括提供多個相位電路，每個相位電路具有功率開關(guān)、電流傳感 器、低通濾波器和占空比控制器。該方法還包括產(chǎn)生與功率開關(guān)的平均電流 成比例的基本為直流的信號，且響應(yīng)于該基本為直流的信號而大體上平衡相 位電^各中的電 流。
根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，功率變換器包括以約120度的相角差操作的 三個相位電路，每個相位電路包括用于輸送功率到功率變換器的輸出端的功 率開關(guān)、用于感測功率開關(guān)中的電流的電流互感器、低通濾波器以及占空比 控制器。功率開關(guān)與該電流互感器和占空比控制器的輸出端相連，電流互感 器與低通濾波器相連，且低通濾波器與占空比控制器相連。而且，低通濾波器被配置成產(chǎn)生與功率開關(guān)的平均電流成比例的基本為直流的信號，并且， 占空比控制器被配置成接收該直流信號。占空比控制器響應(yīng)于直流信號而控 制功率開關(guān)的占空比，從而平衡相位電路中的電流。


本文描述的附圖僅用于說明目的，而不以任何方式限制本發(fā)明的保護范圍。
圖1是升壓變換器的現(xiàn)有技術(shù)電路圖。
圖2是升壓變換器的另一現(xiàn)有技術(shù)電路圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的升壓變換器的電路圖。
具體實施例方式
下面描述本發(fā)明的說明性實施例。為了清楚起見，本說明書中并不描述 實際實現(xiàn)的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解，在開發(fā)任意實際實施例時，必須做出很多 特定實施方式的決策以實現(xiàn)特定目的，諸如，性能目標(biāo)以及與相關(guān)系統(tǒng)、相 關(guān)業(yè)務(wù)和/或環(huán)境限制的兼容。而且，應(yīng)當(dāng)理解，這種開發(fā)勞動可能是復(fù)雜且 耗時的，但是無庸置疑對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是具有本發(fā)明的優(yōu)點 的例4于程序。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面， 一種功率變換器包括多個相位電路，每個相位 電路包括用于輸送功率到功率變換器的輸出端的功率開關(guān)、與該功率開關(guān)相 連以用于感測功率開關(guān)中的電流的電流傳感器、具有與電流傳感器相連的輸 出端的占空比控制器，以及與電流傳感器相連的低通濾波器。低通濾波器被 配置成產(chǎn)生與功率開關(guān)的平均電流成比例的基本為直流的信號。而且，占空 比控制器被配置成接收直流信號，且響應(yīng)于該直流信號來控制功率開關(guān)的占 空比，從而平tf相位電3各中的電流。
參考圖3,現(xiàn)在描述密切結(jié)合上面提到的發(fā)明方面的一般性地用附圖標(biāo) 記300表示的示例性升壓變換器。升壓變換器300包括與三個相位電路 302a-c相連的DC輸入VI，以及同步相位電路302a-c以使每個相位電路 302a-c相對于其他相位電路以約120度相角差操作的同步發(fā)生器104。另夕卜， 升壓變換器100包括二極管D4、輸出負(fù)載Rll、電阻器R9和R10，以及電 容器C4。相位電路302a包括電感器Ll、開關(guān)Q1和Q2、功率開關(guān)Q3、電阻器 R2-R4、R6-R8和R12、二極管D1-D3、電容器C2-C3以及占空比控制器IC1。 而且，相位電路302a還包括電阻器Rl和低通濾波器304，低通濾波器304 包括電阻器R2和電容器Cl。除了相位電路302b-c不包括電阻器R8和電容 器C3之外，這些電路元件與相位電路302b-c中的電路元件相同。
與電壓模式控制類似，在升壓變換器300的操作過程中，占空比控制器 IC1的RT/CT引腳處的振蕩波形信號被開關(guān)Q2緩沖，且經(jīng)由電阻器R7和 R12組成的分壓器被輸入到占空比控制器IC1的ISNS引腳。
另外，電流互感器Tl感測功率開關(guān)Q3中的電流，且低通濾波器304 經(jīng)由二極管D1 -D3和電阻器R3接收與功率開關(guān)Q3中的電流成比例的信號。 應(yīng)當(dāng)注意，低通濾波器304具有較長的時間常數(shù)(即，電阻器R2.電容器Cl ), 一般比功率開關(guān)Q3的開關(guān)周期長100倍以上。因此，Cl兩端的電壓是與功 率開關(guān)Q3中的平均電流成比例的基本直流(DC)的信號。該DC信號被電 阻器R1和R7分割，并被添加到ISNS引腳處的振蕩波形信號中。如下所示， 每個相應(yīng)相位電路302a-c的DC信號比電壓模式控制更有效地調(diào)節(jié)每個相應(yīng) 相位電路302a-c中的電 流。
例如，在輸出負(fù)載Rll處的電流增加的情況下，假設(shè)平均分配電流，相 位電路302a-c將分別分配到負(fù)載電流的增長的三分之一。因此，每個相位電 路302a-c中的DC信號也將增加，從而增加了每個相位電路302a-c中的振 蕩波形信號的電壓。每個相位電路302a-c中的DC信號的增加將導(dǎo)致每個相 位電路302a-c中的振蕩波形信號比工作在電壓模式控制下的升壓變換器200 更快地等于或超過電流限制信號。
而且，在相位電路302a的功率開關(guān)Q3的電阻增加的情況下，相位電路 302a中的電流減小，這將導(dǎo)致DC信號的相應(yīng)減小。DC信號的減小將導(dǎo)致 ISNS引腳處的振蕩波形信號的電壓的減小。因此，振蕩波形信號將比工作 在電壓模式控制下的升壓變換器200更慢地等于或超過電流限制信號。因此， 功率開關(guān)Q3將不再持續(xù)導(dǎo)致相位電路302a中電流的增加。
在一些實施例中，與功率開關(guān)Q3的開關(guān)頻率相比，誤差電壓信號可以 變化得相對緩慢。而且，DC信號可以更緩慢地變化，使得DC信號導(dǎo)致的 占空比的變化足夠緩慢，以使得占空比在連續(xù)的開關(guān)周期期間呈現(xiàn)恒定。
除了調(diào)節(jié)相位電路302a-c中的電流，可以看出，DC信號還平衡每個相位電路302a-c中的電流。更具體而言，由于內(nèi)部電壓誤差放大器的輸出與所 有相位電路302a-c的COMP引腳相連，每個相位302a-c的誤差電壓信號基 本相等。因此，因為電流限制信號與誤差電壓信號成比例，所以對于每個相 位302a-c，電流限制信號也基本相同。然而，因為每個DC信號與每個相應(yīng) 功率開關(guān)Q3中的電流成比例，對于每個相應(yīng)相位電路302a-c來說，DC信 號可以不同。因此，每個相應(yīng)相位電3各302a-c的DC信號可以獨立地校正每 個相應(yīng)功率開關(guān)Q3中的電流增加或減小。每個相應(yīng)功率開關(guān)Q3中的電流 的獨立校正具有平〗軒相位電3各302a-c中的電流的效果。
與現(xiàn)有技術(shù)的電壓模式控制不同，即使每個功率開關(guān)Q3的電阻和電感 器L1的電阻失配，相位302a-c中的電流也可以維持平衡。另外，與現(xiàn)有技 術(shù)的峰值電流模式控制不同，即使源阻抗是明顯感性，升壓變換器300也可 以維持穩(wěn)定。因而，升壓變換器300能夠消除DC輸入VI兩端的昂貴和笨 重的電容器的需要。
盡管圖3示出了包括電阻器和電容器的低通濾波器304,用于產(chǎn)生DC 信號，應(yīng)當(dāng)理解，其他合適的濾波器可用于產(chǎn)生DC信號。例如，可以采用 使用運算放大器與若干電阻器和電容器的組合來產(chǎn)生DC信號的有源濾波 器，而不偏離本發(fā)明的范圍。
另外，盡管升壓變換器300具有三個相位電路302a-c，應(yīng)當(dāng)理解，可以 采用多于三個或少于三個的相位電路，而不偏離本發(fā)明的范圍。而且，盡管 升壓變換器300中的每個相位電路以120度相角差操作，應(yīng)當(dāng)理解，相位電 路302a-c可以以任意相角差操作，或可以同相操作，而不偏離本發(fā)明的范圍。 應(yīng)當(dāng)注意，在360/N的相角差來操作相位，其中N是相數(shù)，可以得到輸入和 輸出脈動電流的最大4氐消。
而且，盡管圖3示出了升壓變換器，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的教示不限于這 種變換器。例如，本發(fā)明的教示可以應(yīng)用于其他合適的功率變換器，諸如非 隔離降壓變換器、單端正向變換器、單端逆向變換器、半橋變換器，以及全 橋變換器，而不偏離本發(fā)明的范圍。
晶體管(BJT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT),或在開和關(guān)狀態(tài)之間可以被控 制的任意功率開關(guān)設(shè)備，而不偏離本發(fā)明的范圍。
而且，占空比控制器IC1可以是任意合適的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器，盡管本發(fā)明并沒有如此限定。例如，升壓變換器300可以是自激振蕩 功率變換器且因而不需要PWM控制器。
盡管圖3示出了電流互感器T1，應(yīng)當(dāng)理解，可以采用諸如電流感應(yīng)電 阻器或霍耳效應(yīng)傳感器之類的其他合適的電流感應(yīng)設(shè)備，而不偏離本發(fā)明的 范圍
在一些實施例中，升壓變換器300可以具有至少20V至60V的輸入電 壓范圍，并可以處理從500W至超過lkW的功率范圍。而且，升壓變換器 300在最小輸入電壓和全功率時可以具有幾毫秒的顯著的維持時間。升壓變 換器300也可以被放置在外殼中，所有的熱量通過基板散熱器來消散。
權(quán)利要求
1. 一種包括多個相位電路的功率變換器，每個相位電路包括用于輸送功率到所述功率變換器的輸出端的功率開關(guān)，與所述功率開關(guān)相連的用于感測所述功率開關(guān)中的電流的電流傳感器，具有與所述電流傳感器相連的輸出端的占空比控制器，以及與所述電流傳感器相連的低通濾波器，所述低通濾波器被配置成產(chǎn)生與所述功率開關(guān)中的平均電流成比例的基本上直流的信號，其中所述占空比控制器被配置為接收所述直流信號且響應(yīng)于所述直流的信號而控制所述功率開關(guān)的占空比，由此平衡所述相位電路中的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述低通濾波器是阻容電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率變換器，其中所述阻容電路的時間常數(shù) 大于所述功率開關(guān)的開關(guān)周期。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率變換器，其中所述時間常數(shù)比所述開關(guān) 周期長100倍以上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述功率變換器包括三個 相位電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率變換器，其中所述三個相位電路以約120 度相角差搡作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述相位電路以360/N度 相角差操作，其中N是相數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述電流傳感器是電流互 感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述占空比控制器是脈沖 寬度調(diào)制控制器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述功率開關(guān)是MOSFET。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述功率變換器是升壓變 換器。
12. —種用于平衡功率變換器中的電流的方法，該方法包括 提供多個相位電路，每個相位電路具有功率開關(guān)、電流傳感器、低通濾波器和占空比控制器，產(chǎn)生與所述功率開關(guān)的平均電流成比例的基本上直流的信號，以及 響應(yīng)于所述基本上直流的信號來基本上平衡所述相位電路中的電流。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括感測所述功率開關(guān)中的電流， 和產(chǎn)生與所述電流成比例的電流信號。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述低通濾波器中接收與 所述電流成比例的電流信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述低通濾波器中產(chǎn)生所 述基本上直流的信號，和從所述低通濾波器向所述占空比控制器輸出所述基 本上直流的信號。
16. —種功率變換器，包括以約120度相角差操作的三個相位電路，每個相位電路包括用于輸送功 率到所述功率變換器的輸出端的功率開關(guān)、用于感測所述功率開關(guān)中的電流 的電流互感器、低通濾波器以及占空比控制器，所述功率開關(guān)與所述電流互感器和所述占空比控制器的輸出端相連，所述電流互感器與所述低通濾波器相連，且所述低通濾波器與所述占空比控制器相連，使得所述低通濾波器被配置成產(chǎn)生與所述功率開關(guān)的平均電流成比 例的基本上直流的信號，所述占空比控制器被配置成接收所述直流信號，且 響應(yīng)于所述直流信號來控制所述功率開關(guān)的占空比，由此平衡所述相位電路 中的電流。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率變換器，其中所述低通濾波器是阻容 電路。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率變換器，其中所述阻容電路的時間常數(shù)大于所述功率開關(guān)的開關(guān)周期。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率變換器，其中所述占空比控制器是脈 沖寬度調(diào)制控制器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所迷的功率變換器，其中所述功率變換器是升壓 變換器。
全文摘要
功率變換器(300)包括多個相位電路(302a-302c)，每個相位電路包括用于輸送功率到功率變換器的輸出端的功率開關(guān)(Q3)、與功率開關(guān)相連的用于感測功率開關(guān)中的電流的電流傳感器(T1)、具有與電流傳感器相連的輸出端的占空比控制器(IC1)，以及與電流傳感器相連的低通濾波器(304)。低通濾波器被配置成產(chǎn)生與功率開關(guān)中的平均電流成比例的基本直流的信號。占空比控制器被配置成接收該直流信號且響應(yīng)于該直流信號而控制功率開關(guān)的占空比，從而平衡相位電路中的電流。
文檔編號H02M1/00GK101443990SQ200780016759
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者凱文·懷爾達(dá)什 申請人:雅達(dá)電子國際有限公司