專利名稱：具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及包括共享電感降壓/升壓變壓器和包括至少兩個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的電源系統(tǒng)，其中一個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件與變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)而另一個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件與所述變壓器的升壓功能相關(guān)聯(lián)。已知這樣的電源系統(tǒng)可以具有三種工作模式，即降壓模式、升壓模式和降壓/升壓模式。因此這三種工作模式需要使用三種不同實(shí)施的控制邏輯以及在這些不同控制邏輯之間的開關(guān)。在現(xiàn)有技術(shù)中，可例如監(jiān)控電源系統(tǒng)的輸入和輸出之間的電壓差并且然后選擇最合適的控制法則。這使得可以獲得用于降低或提高電壓或獲得最優(yōu)輸出的期望操作。該解決方案已經(jīng)在商業(yè)電源系統(tǒng)諸如線性科技(LINEARTECHNOLOGY) LTC3780控制器中實(shí)施了。然后，其具有一些缺點(diǎn)。因?yàn)槭聦?shí)上存在三種工作模式，所有也存在三種實(shí)施的控制邏輯。在工作期間，系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間僅工作于三種模式之一中，如果在其它兩種模式之一中控制發(fā)生故障，則該故障可能被隱藏。因此存在在標(biāo)稱工作模式中未檢測(cè)到的、但是能夠引起系統(tǒng)在某些轉(zhuǎn)換事件中不可用的潛在故障的可能性。然而，該系統(tǒng)例如可以在航空應(yīng)用中實(shí)施，在航空應(yīng)用中可見這樣的缺點(diǎn)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。此外，從一種控制模式轉(zhuǎn)換到另一種控制模式的邏輯是基于與磁滯回線的比較進(jìn)行的。這導(dǎo)致若干缺點(diǎn)，即轉(zhuǎn)換區(qū)域中的工作模式取決于輸入電壓的行進(jìn)方向，如果比較的磁滯回線不足夠大則存在不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，以及工作模式的不連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)在轉(zhuǎn)換階段對(duì)輸出電壓具有影響。 因此本發(fā)明的目的是解決這些問題。為此，本發(fā)明涉及一種具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，具有共享電感降壓/升壓變壓器并具有至少兩個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件，一個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件與變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)與變壓器的升壓功能相關(guān)聯(lián)，其特征在于，使用隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置連續(xù)驅(qū)動(dòng)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的一個(gè)，可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的另一個(gè)被與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置連續(xù)驅(qū)動(dòng)，可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的控制裝置和隨動(dòng)裝置在穩(wěn)壓電壓系統(tǒng)的所有工作模式中都起作用。根據(jù)本發(fā)明的其它方面，該電源系統(tǒng)包括一個(gè)或更多個(gè)下列特征-由隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置驅(qū)動(dòng)的可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件是與變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)的開關(guān)構(gòu)件，-由隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置驅(qū)動(dòng)的可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件是與系統(tǒng)的升壓功能相關(guān)聯(lián)的開關(guān)構(gòu)件，-隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置使用仿射函數(shù)用于控制對(duì)應(yīng)的構(gòu)件，
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-與另一構(gòu)件的輸入電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置使用與設(shè)定點(diǎn)有關(guān)的隨動(dòng)函數(shù)，-隨動(dòng)裝置包括從包括P校正器、PI校正器或PID校正器的組中選擇的模擬校正器或數(shù)字校正器，-半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的控制裝置在電壓模式或電流模式下使用控制裝置，-半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的控制裝置使用正限流裝置和/或負(fù)限流裝置，-半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的控制裝置使用可以獨(dú)立或不獨(dú)立、不同頻率或相同頻率、同相或異相的裝置。-控制裝置通過脈沖跳變或突發(fā)模式使用控制裝置。使用以下作為示例提供并參照附圖進(jìn)行的描述可以更好地理解本發(fā)明，其中-

圖1是示出在現(xiàn)有技術(shù)的電源系統(tǒng)的組成中包括的變壓器的一個(gè)實(shí)施例的總圖，-圖2-8示出該系統(tǒng)在降壓模式中的操作，-圖9-15示出該系統(tǒng)在升壓模式中的操作，-圖16-21示出該系統(tǒng)在降壓/升壓模式中的操作，-圖22示出該結(jié)構(gòu)的輸出，-圖23示出現(xiàn)有技術(shù)的電源系統(tǒng)中實(shí)施的不同工作模式之間的轉(zhuǎn)換，-圖M示出根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的第一實(shí)施例的總圖，-圖25示出根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的替代實(shí)施例的總圖，-圖沈示出根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的應(yīng)用示例的總圖，-圖27示出根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的輸入和輸出命令的關(guān)系的總圖，以及-圖觀和四示出根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的其它可能替代方式。圖1事實(shí)上示出已知的電源系統(tǒng)(例如在附圖中總體由標(biāo)記1表示的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓直流電源系統(tǒng))的實(shí)施例。該電源系統(tǒng)例如可應(yīng)用于航空領(lǐng)域。該電源系統(tǒng)因此包括共享電感L降壓/升壓變壓器，變壓器總體由標(biāo)記2表示以及共享電感L總體由標(biāo)記3表示。電感連接在圖中由標(biāo)記4和5分別表示的兩個(gè)支路的中點(diǎn)，每個(gè)支路分別包括可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件Sl和S2以及分別包括整流器Rl和R2，可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件Sl和S2例如由MOSFET類型晶體管構(gòu)成，整流器Rl和R2可由二極管或可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件構(gòu)成。因此每個(gè)分支包括串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件和整流器。半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件Sl放置在對(duì)應(yīng)支路4的上部中，所述支路與輸入電壓和地之間的容性元件(例如Cl)并聯(lián)連接。系統(tǒng)的該部分構(gòu)成變壓器的降壓部分。可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件S2放置在支路5的下部中，整流器R2放置在所述支路的上部，所述支路與容性元件C2并聯(lián)連接并提供系統(tǒng)的輸出電壓。系統(tǒng)的該部分構(gòu)成變壓器的升壓部分。應(yīng)當(dāng)注意容性元件Cl和C2用作輸入和輸出濾波裝置。這樣的變壓器因此是現(xiàn)有技術(shù)中已知的降壓/升壓類型的DC-DC(直流-直流) 轉(zhuǎn)換器。存在控制該結(jié)構(gòu)工作的三種主要方式。
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第一種方式包括把該結(jié)構(gòu)控制在降壓模式中。如圖2所示，如果不控制構(gòu)件S2，則該構(gòu)件S2總是保持?jǐn)嚅_并且整流器R2連續(xù)導(dǎo)通。該結(jié)構(gòu)因此是“降壓”類型結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)的連續(xù)操作流程被分成總持續(xù)時(shí)間為T(斬波時(shí)段)的兩個(gè)階段。這兩個(gè)階段是α 階段或?qū)A段以及β階段或自由運(yùn)行階段。在圖3所示的α階段或?qū)A段中，構(gòu)件Sl導(dǎo)電，使得電感L的兩端子處的電壓為值 Vl = Vin-Vout。該電壓是正的，電感中的電流隨時(shí)間線性增加，如圖4和圖5所示。在β階段或自由運(yùn)行階段中，構(gòu)件Sl斷開，如圖6所示。為防止電感中的任何電流不連續(xù)性，整流器Rl變得導(dǎo)通。電感L的兩端子處的電壓變?yōu)樨?fù)，由此使得流過它的電流降低，如圖7和8所示。如果abu。k指構(gòu)件Sl的循環(huán)控制比率，則獲得輸出電壓和輸入電壓之間的以下關(guān)
^ :^out — a buck^in0因此變壓器降低輸入電壓。該系統(tǒng)的第二實(shí)施例對(duì)應(yīng)于“升壓”模式。如圖9所示，如果構(gòu)件Sl總是受控，則其保持導(dǎo)通并且整流器Rl保持連續(xù)截止。 該結(jié)構(gòu)因此是所謂的“升壓”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的連續(xù)工作流程也分為總持續(xù)時(shí)間為τ(斬波時(shí)段)的兩個(gè)階段。第一階段是α階段或充電階段，第二階段是β階段或自由運(yùn)行階段。 如圖10所示，在α階段或充電階段，開關(guān)S2導(dǎo)通，使得電感L的兩端子處的電壓等于值八 = Vin0電壓是正的，電感L中的電流隨時(shí)間線性增力卩，如圖11和12所示。在β階段或自由運(yùn)行階段，如圖13所示，構(gòu)件S2斷開。為防止電感L中的任何電流不連續(xù)性，整流器R2變?yōu)閷?dǎo)通。電感L的兩端子處的電壓變?yōu)樨?fù)，等于八=Vin-Vout, 由此使得流經(jīng)電感L的電流降低，如圖14和15所示。如果ab。。st指構(gòu)件S2的循環(huán)控制比率，則獲得輸出電壓和輸入電壓之間的以下關(guān)
^ :V0ut — Vin/ Q boost。變壓器因此提高了輸入電壓。該系統(tǒng)的第三工作模式是“降壓-升壓”模式。這是通過以同樣方式控制構(gòu)件Sl和S2獲得的。該結(jié)構(gòu)的連續(xù)工作流程也分為總持續(xù)時(shí)間為T(斬波時(shí)段)的兩個(gè)階段，即第一階段α或充電階段，以及第二階段β或自由運(yùn)行階段。在圖16所示的充電階段期間，構(gòu)件Sl和S2導(dǎo)通，使得電感L的兩端子處的電壓為\ = Vin0該電壓是正的，電感中的電流隨著時(shí)間線性增加，如圖17和18所示。在自由運(yùn)行階段，如圖19所示，構(gòu)件Sl和S2斷開。為防止電感L中的電流不連續(xù)性，整流器Rl和R2變?yōu)閷?dǎo)通。電感L的兩端子處的電壓變?yōu)樨?fù)，等于輸出電壓的相反值， 由此使得流經(jīng)電感L的電流減小，如圖20和21所示。如果a bu。k_b。。st指構(gòu)件Sl和S2的循環(huán)控制比率，則獲得輸出電壓和輸入電壓之間的以下關(guān)系v。ut = Vin a buck_boost/[l" a boost]。取決于分別具有abu。k_b。。st彡0. 5或abu。k_b。。st ( 0. 5，變壓器提高或降低輸入電壓。
如果變壓器的輸入動(dòng)態(tài)范圍要求必須提高或降低電壓，則該解決方案因此是要把變壓器控制在降壓-升壓模式。然而，這樣的控制的最優(yōu)輸出是當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，如圖22所示。在現(xiàn)有技術(shù)中，解決方案例如包括監(jiān)控輸入和輸出之間的電壓差并切換控制法則以便獲得最合適的可能的法則，即在降壓模式，升壓模式，或降壓/升壓模式中，這使得能夠獲得如圖23所示的最優(yōu)輸出。這樣的控制已經(jīng)在商業(yè)控制器(例如，線性技術(shù)LTC3780控制器)中實(shí)施。然而如同前面指出的，該解決方案在以下方面具有一定數(shù)量的缺點(diǎn)可能檢測(cè)不到的潛在故障和與從一個(gè)工作模式過渡到另一個(gè)工作模式相關(guān)的不連續(xù)性不穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)方面。為了解決這些問題以及在根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)中，提出根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出電壓來單獨(dú)并連續(xù)地控制構(gòu)件Sl和S2。這例如示于圖M中，其中可識(shí)別前面描述的元件，即，容性構(gòu)件Cl、C2，整流器Rl、 R2，共享電感L以及可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件Sl和S2。事實(shí)上，在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，這些可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的一個(gè)被隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置驅(qū)動(dòng)，而另一個(gè)被與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。這例如示于圖M中，構(gòu)件S2可被總體由標(biāo)記10表示、隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置驅(qū)動(dòng)，而構(gòu)件Sl可被總體由標(biāo)記11表示的與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。因此該圖M描述了第一方案，其包括根據(jù)輸出電壓控制構(gòu)件Sl ( g卩，降壓構(gòu)件) 以及根據(jù)輸入電壓控制構(gòu)件S2 (即，升壓構(gòu)件)。然而如圖25所示，也可考慮相反的情況，即，構(gòu)件Sl (降壓構(gòu)件)也可被在該圖中總體上由標(biāo)記12表示的隨系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置驅(qū)動(dòng)，構(gòu)件S2(升壓構(gòu)件)可以被在圖25中總體由標(biāo)記13表示的與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。下文中α S1 = α buck指構(gòu)件Sl的循環(huán)控制比率，α S2 = α b。。st指構(gòu)件S2的循環(huán)控制比率。使得能夠調(diào)整輸出電壓的函數(shù)G(V。ut)可以是與輸出電壓基準(zhǔn)有關(guān)的誤差校正器， 例如由P、PI或PID類型的模擬校正器或數(shù)字校正器或其它校正器構(gòu)成。使得能夠控制另一構(gòu)件的函數(shù)F(Vin)的選擇直接調(diào)節(jié)組件的工作點(diǎn)。事實(shí)上，在連續(xù)流程中，使組件的輸入和輸出電壓與構(gòu)件的循環(huán)控制比率關(guān)聯(lián)的關(guān)系是: VoutX (l"a boost) = VinX abuck。根據(jù)前述函數(shù)的結(jié)果控制半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的PWM (脈寬調(diào)制)控制函數(shù)，例如可以通過以下實(shí)現(xiàn)-或者是電壓模式控制，因此所得的循環(huán)比率與基準(zhǔn)成正比，-或電流模式控制(峰值、中點(diǎn)或谷值)，因此開關(guān)中的電流與基準(zhǔn)成比例。因此兩個(gè)脈寬調(diào)制控制塊可以使用相同或不同的斬波頻率(約數(shù)的全部或并非全部)，以及可以同步或可以不同步。為了把結(jié)構(gòu)的輸出調(diào)整為低負(fù)荷，脈沖跳變或突發(fā)模式技術(shù)也可被用來控制構(gòu)件 Sl或S2或其它整流器(如果它們是可控的話)。圖沈給出在航空電子設(shè)備電源模塊上實(shí)施的實(shí)施例。
在這種情況下，用變壓器的輸出電壓上的峰值電流隨動(dòng)控制構(gòu)件Si，同時(shí)根據(jù)輸入電壓按照仿射法則來控制構(gòu)件S2。在該實(shí)施例中，兩個(gè)構(gòu)件Sl和S2以相同頻率斬波，并且同步同相。對(duì)構(gòu)件S2的開環(huán)控制α boost的調(diào)節(jié)根據(jù)以下關(guān)系調(diào)整從變壓器的輸出電壓的閉環(huán)得到的控制 α buck =Vout · (1-α boost) = Vin - α bucko圖27示出的曲線圖示出用于具有高輸入動(dòng)態(tài)范圍(例如從8-80伏直流到M伏直流)的變壓器的該關(guān)系。因此可見該結(jié)構(gòu)具有某些優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，不存在工作模式不連續(xù)性并且該系統(tǒng)比現(xiàn)有技術(shù)的解決方案實(shí)施起來更加簡(jiǎn)單。事實(shí)上，僅存在一個(gè)控制邏輯并且不用管理轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)也可用同步整流器工作，在該同步整流器中整流器Rl和/或R2是可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件。此外，在該系統(tǒng)中，在所有工作模式中所有功率和控制元件都起作用，因此也不存在潛在故障的可能性。最后，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可擴(kuò)展為使用圖觀和四所示的若干降壓/升壓塊和可以耦合或不耦合的若干電感的多相結(jié)構(gòu)，在圖觀和四中分別示出輸入多相結(jié)構(gòu)和輸出多相結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，具有共享電感(3)降壓/升壓變壓器(2)并具有至少兩個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件(S1，S2)，一個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件(Si)與所述變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)(S2)與所述變壓器的升壓功能相關(guān)聯(lián)，其特征在于， 使用隨所述系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置(10,1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的一個(gè)，所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的另一個(gè)被與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置(11，13)連續(xù)驅(qū)動(dòng)，所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件(S1，S2)的所述控制裝置(10，1 和所述隨動(dòng)裝置(11， 13)在所述穩(wěn)壓電壓系統(tǒng)的所有工作模式中都起作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，由隨所述系統(tǒng)的輸入電壓而變的所述控制裝置(1 驅(qū)動(dòng)的所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件是與所述變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)的開關(guān)構(gòu)件(Si)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，由隨所述系統(tǒng)的輸入電壓而變的所述控制裝置(10)驅(qū)動(dòng)的所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件是與所述系統(tǒng)的升壓功能相關(guān)聯(lián)的開關(guān)構(gòu)件(S2)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，隨所述系統(tǒng)的輸入電壓而變的所述控制裝置(10，12)使用仿射函數(shù)用于控制對(duì)應(yīng)的構(gòu)件。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，與所述另一構(gòu)件的輸入電壓相關(guān)的所述隨動(dòng)裝置(11，13)使用與設(shè)定點(diǎn)有關(guān)的隨動(dòng)函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，所述隨動(dòng)裝置包括從包括P校正器、PI校正器或PID校正器的組中選擇的模擬校正器或數(shù)字校正器。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的所述控制裝置在電壓模式或電流模式下使用控制裝置。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的所述控制裝置使用正限流裝置和/或負(fù)限流裝置。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件的所述控制裝置使用可以獨(dú)立或不獨(dú)立、不同頻率或相同頻率、同相或異相的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置通過脈沖跳變或突發(fā)模式使用控制裝置。
全文摘要
一種具有高輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，具有共享電感(L)降壓/升壓變壓器并具有至少兩個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件(S1，S2)，一個(gè)可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件(S1)與所述變壓器的降壓功能相關(guān)聯(lián)，另一個(gè)(S2)與所述變壓器的升壓功能相關(guān)聯(lián)，其特征在于，使用隨所述系統(tǒng)的輸入電壓而變的控制裝置(10)驅(qū)動(dòng)所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的一個(gè)(S2)，所述可控半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)件中的另一個(gè)(S1)被與輸出電壓相關(guān)的隨動(dòng)裝置(11)連續(xù)驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102447393SQ20111028393
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者克里斯托夫·托朗, 弗朗索瓦·克萊因 申請(qǐng)人:泰利斯公司