專利名稱：帶有相位延遲控制的諧振轉(zhuǎn)換器的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本發(fā)明基于并要求于2001年12月12日提交的標(biāo)題為“帶有相位延遲控制的諧振轉(zhuǎn)換器(Resonant Converter With Phase Delay Control)”的第60/339,308號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及一種諧振功率轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種利用相位延遲控制結(jié)構(gòu)受到控制的諧振功率轉(zhuǎn)換器。
2.相關(guān)技術(shù)的描述已知有多種類型的功率轉(zhuǎn)換器，尤其是脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器和諧振功率轉(zhuǎn)換器。PWM功率轉(zhuǎn)換器通過(guò)提供脈沖串來(lái)工作，其中脈寬根據(jù)需要提供的功率來(lái)調(diào)節(jié)。PWM轉(zhuǎn)換器通常以能夠增加效率的頻率進(jìn)行切換，以減小磁部件的尺寸，從而使封裝更小。然而，PWM轉(zhuǎn)換器中更高頻率的切換通常會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加并會(huì)產(chǎn)生更大的電磁干擾(EMI)。通常，由于開(kāi)關(guān)在傳導(dǎo)電流或承載電壓時(shí)受到控制以進(jìn)行切換，從而發(fā)生開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致“硬切換”。在典型的PWM轉(zhuǎn)換器中的硬切換損耗趨向于隨開(kāi)關(guān)頻率而增加。另外，由硬切換產(chǎn)生(尤其是在高頻時(shí)成生)的EMI可因降低了功率因數(shù)而成為影響輸入電源效率的主要因素。
為克服與PWM轉(zhuǎn)換器中的硬切換相關(guān)聯(lián)的困難，帶有允許“軟切換”的振蕩波形的諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)得到采用，其中由開(kāi)關(guān)所承載的電流或電壓接近于0。具體而言，諧振轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)可以零電流地打開(kāi)和零電壓地關(guān)閉。開(kāi)關(guān)損耗的減少和設(shè)備的簡(jiǎn)化允許諧振轉(zhuǎn)換器在比PWM轉(zhuǎn)換器所實(shí)用的頻率高得多的頻率下工作。因而，典型的諧振轉(zhuǎn)換器可以利用高功率密度來(lái)提供很高的效率。另外，諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的輸入的振蕩本質(zhì)允許用于決定輸入電流的控制方案與用于決定電壓的控制方案相匹配，從而形成高的功率因數(shù)。一般通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率以調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)控制來(lái)自諧振轉(zhuǎn)換器的所需的功率輸出。典型的串連諧振轉(zhuǎn)換器在

圖1中示出，它采用了半橋開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其中開(kāi)關(guān)互補(bǔ)操作以切換打開(kāi)(ON)和關(guān)閉(OFF)。
諧振轉(zhuǎn)換器可在多種模式下操作，包括電感模式、電容模式和電阻模式。圖2示出了用于圖1所示的諧振轉(zhuǎn)換器的電感模式操作的工作波形。圖3示出了用于圖1所示的諧振轉(zhuǎn)換器的電容模式操作的工作波形。圖4示出了用于圖1所示的諧振轉(zhuǎn)換器的電阻模式操作的工作波形。
參照?qǐng)D3，電容模式操作呈現(xiàn)出了降低的開(kāi)關(guān)頻率，其比電路的諧振頻率更低。在電容操作模式中，MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開(kāi)關(guān)的體二極管反向恢復(fù)，具有明顯的損耗。因而，優(yōu)選地，該諧振轉(zhuǎn)換器在比電路的諧振頻率大的頻率下工作，以減少這些損耗。
當(dāng)諧振轉(zhuǎn)換器在電阻模式下操作時(shí)，操作頻率接近諧振頻率，因而獲得高程度的效率。在這種情況下，電壓和電流正弦曲線波形具有幾乎相同的相位，因而功率因子高并且電壓和電流循環(huán)中的損耗較少。但是，在面對(duì)變化的負(fù)載時(shí)，諧振轉(zhuǎn)換器的工作頻率必須被維持以連續(xù)獲得高的效率和良好的功率因子校正。
在諧振轉(zhuǎn)換器中使用不同的拓?fù)鋪?lái)獲得不同需要的結(jié)果。例如，圖5示出了并聯(lián)的諧振轉(zhuǎn)換器，圖6示出了LCC諧振轉(zhuǎn)換器。在圖5中，電容器Cp是唯一的諧振電容器，電容器Cin/2用作輸入DC電壓的分壓器。在圖6中，電容Cp和電容Cs/2都用作諧振電容器。
上述諧振轉(zhuǎn)換器的操作特性隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而不同。例如，在圖1中示出的串連諧振轉(zhuǎn)換器可以在開(kāi)路(open circuit)模式下操作，但不能在短路模式下操作。在圖5中示出的并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器可以在短路中操作但不能在開(kāi)路中操作。圖6所示的LCC諧振轉(zhuǎn)換器既不能在短路中操作也不能在開(kāi)路中操作，因而在實(shí)際工作中，優(yōu)選地包括開(kāi)路和短路防護(hù)。然而，LCC諧振轉(zhuǎn)換器具有增強(qiáng)的總體效率以及有效輸出負(fù)載范圍。范圍的擴(kuò)大和效率的提高是由于負(fù)載減少而循環(huán)電流減少，因而維持了總體的高效范圍。
在上述的諧振轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓通常作為開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)而得到維持和調(diào)節(jié)。開(kāi)關(guān)頻率的增加允許更大的功率被傳送到負(fù)載，從而允許功率輸出增加。然而，這類控制可導(dǎo)致帶有高峰值的諧振電流和電壓，這會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加并導(dǎo)致功率器件的額定要求的提高。另外，不同的開(kāi)關(guān)頻率控制通常使總體控制更加復(fù)雜，同時(shí)增加了用于轉(zhuǎn)換器的濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這類控制通常依靠來(lái)自輸出的反饋以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率并維持期望的功率輸出水平。然而，輸出功率和開(kāi)關(guān)頻率之間的關(guān)系通常是很不線性的，這就增加了實(shí)現(xiàn)諧振功率轉(zhuǎn)換器的健壯性控制的難度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種諧振功率轉(zhuǎn)換器，它利用相位延遲控制器獲得控制，從而獲得增強(qiáng)的反饋控制，同時(shí)維持高的效率。本發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器可以獲得高的開(kāi)關(guān)頻率，從而導(dǎo)致部件尺寸的減小，同時(shí)限制了諧振轉(zhuǎn)換器部件所經(jīng)受的電流或電壓浪涌。
相位延遲控制器與鎖相環(huán)(PLL)協(xié)同工作，以對(duì)照基準(zhǔn)相位信號(hào)追蹤諧振功率轉(zhuǎn)換器中的電感的相位。通過(guò)獲得代表輸出級(jí)電流的相位和基準(zhǔn)相位信號(hào)之間的差的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)相位延遲。該誤差信號(hào)被提供給壓控振蕩器(VCO)以調(diào)整適于輸出級(jí)的轉(zhuǎn)換功能的操作頻率。操作頻率的改變趨向于將相位延遲誤差信號(hào)減少到零，而實(shí)現(xiàn)健壯和簡(jiǎn)化的控制。
本發(fā)明利用能用于控制燈的鎮(zhèn)流器電路的集成電路(IC)，從而用簡(jiǎn)單的方法來(lái)獲得所需的控制特性。通過(guò)選擇部件和IC功能以實(shí)現(xiàn)相位延遲控制，IC的操作特性得到了改變。結(jié)果，就可簡(jiǎn)單地利用可獲得的部件來(lái)提高相位延遲控制器的操作特征。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明在下面參照附圖進(jìn)行說(shuō)明中，本發(fā)明將得到更加詳細(xì)的描述，在附圖中圖1示出了常規(guī)的串連諧振轉(zhuǎn)換器；
圖2示出了圖1的電路在電感模式下的工作波形；圖3示出了圖1的電路在電容模式下工作的工作波形；圖4示出了圖1的電路在電阻模式下工作的工作波形；圖5示出了常規(guī)的并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器；圖6示出了常規(guī)的LCC諧振轉(zhuǎn)換器；圖7示出了理想諧振電路的電路參數(shù)；圖8示出了圖5所示電路的相角和輸出功率之間的關(guān)系曲線；圖9示出了圖5所示電路的開(kāi)關(guān)頻率與功率輸出的關(guān)系曲線；圖10示出了圖1的電路的相角與功率輸出的關(guān)系曲線；圖11示出了圖1所示電路的開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系曲線；圖12示出了圖6所示電路的相角與輸出功率的關(guān)系曲線；圖13示出了圖6所示電路的開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系曲線；圖14是根據(jù)本發(fā)明的相位延遲控制器的方框圖；圖15示出了相位延遲控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)圖；圖16的方框圖示出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述相位延遲控制器的IC的內(nèi)部電路；圖17示出了圖16的電路的操作模式的狀態(tài)圖；圖18是與圖16所示的IC一起使用的、用來(lái)選擇由IC實(shí)現(xiàn)的功能的電路。
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的相位延遲控制器的操作時(shí)序圖；圖20的一組曲線圖示出了利用本發(fā)明所述IC的相位延遲控制器的操作特性。
圖21是利用IC實(shí)現(xiàn)的電流感測(cè)電路；圖22示出了電流感測(cè)消隱周期曲線；圖23的電路圖示出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的與IC的部件連接。
圖24的電路圖示出了帶有諧振回路電路的LCC諧振轉(zhuǎn)換器；圖25示出了諧振頻率附近的工作頻率與轉(zhuǎn)換器增益之間的關(guān)系曲線；圖26是圖24所示電路的仿真電路圖；圖27是根據(jù)本發(fā)明所述的功率級(jí)設(shè)備的電路圖；
圖28的電路圖示出了根據(jù)本發(fā)明所述的諧振轉(zhuǎn)換器的IC的選擇功能控制；圖29的曲線圖代表了諧振轉(zhuǎn)換器的輸出功率、輸入電壓及輸出電壓之間的關(guān)系。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供了一種帶有在IC(集成電路)中實(shí)現(xiàn)的相位延遲控制的諧振轉(zhuǎn)換器，用以實(shí)現(xiàn)高效率和寬輸出范圍，同時(shí)減少EMI(電磁干擾)。通過(guò)利用提供電流感測(cè)以確定相角誤差度量的反饋結(jié)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)這種相位延遲控制。通過(guò)與基準(zhǔn)相角比較而獲得的相角誤差度量用于控制VCO(壓控振蕩器)，該VCO可改變開(kāi)關(guān)頻率以調(diào)整諧振回路(resonanttank)電壓和電流的相角。
參照?qǐng)D8-13，其提供了用于串連、并聯(lián)和LCC(無(wú)引線芯片載體)諧振轉(zhuǎn)換器的電源輸出、開(kāi)關(guān)頻率及相角之間關(guān)系的圖示。在圖8、圖10和圖12中，對(duì)于每種類型的諧振轉(zhuǎn)換器而言，輸出功率和相角之間的關(guān)系在寬范圍的相角上基本上是線性的。然而，作為對(duì)比，圖9、圖11和圖13示出了開(kāi)關(guān)頻率與功率輸出的關(guān)系基本上是非線性的，其提供的適于反饋控制的動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小。因而，通過(guò)對(duì)諧振轉(zhuǎn)換器的相角控制和頻率控制進(jìn)行比較，就可以清楚地看出采用反饋結(jié)構(gòu)控制輸出功率的相角控制的優(yōu)點(diǎn)。
參照?qǐng)D7，其中示出了諧振電路模型以及各種電路運(yùn)行參數(shù)的推導(dǎo)。具體而言，其中描述了相角是頻率的函數(shù)。獲得不同類型諧振轉(zhuǎn)換器的相角的公式在寬的電路輸出功率范圍上基本上是線性的。注意，在圖7中，輸出功率被定義為輸出電壓的平方除以輸出電阻。因而，輸出功率作為輸出電壓的函數(shù)而改變，而輸出電壓則作為開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)而改變。在圖9、圖11和圖13中示出了這種關(guān)系。
現(xiàn)在參照?qǐng)D14，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的相位延遲控制器的方框圖。該控制器使用相角基準(zhǔn)值，其與來(lái)自功率控制輸出的反饋相角值相加。相角基準(zhǔn)和相角反饋之間的差提供了一個(gè)誤差值，用以指示所需相位和實(shí)際相位之間的差?？蛇x地，求和點(diǎn)(summing junction)可以作為比較函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
相位延遲的誤差值被放大并輸入到VCO，以產(chǎn)生帶有與VCO的輸入相關(guān)的特定頻率的振蕩信號(hào)。振蕩輸出被提供給功率轉(zhuǎn)換器的功率控制級(jí)，并因此調(diào)節(jié)該功率控制輸出信號(hào)的相位。所示的功率控制輸出被連接到諧振回路電路，該諧振回路電路對(duì)相角反饋信號(hào)也有影響。因此，圖14中所描述的PLL可基于相位延遲控制而提供用于諧振功率轉(zhuǎn)換器的軟開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D15，其中示出了具有相位延遲控制和給定功率輸出的諧振轉(zhuǎn)換器的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)。該開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)示出了由于系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)集成特性而造成的20dB/dec的增益下降。閉環(huán)增益示出了濾波器頻率的一個(gè)極(pole)，減少了另一個(gè)20dB/dec。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16，其中示出了在IC(集成電路)上實(shí)現(xiàn)的相位延遲控制器的方框圖。該IC方框圖在第6,008,593號(hào)美國(guó)專利中公開(kāi)，該公開(kāi)被引入本文以作為參考。IC電路的設(shè)計(jì)用于燈的鎮(zhèn)流器，但包含能用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器的相位延遲控制器的特征和功能。例如，該IC包括在管腳2上的VCO輸入，它與管腳10上的電流感測(cè)輸入一起用來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所述的PLL相位延遲控制。
參照?qǐng)D17，其中示出了用于燈的鎮(zhèn)流器控制的IC的狀態(tài)操作。在本發(fā)明中，預(yù)熱和點(diǎn)火模式都不是必需的，可以選擇性地利用外部連接的電路來(lái)排除這些模式。如狀態(tài)圖中所示出的，IC提供了欠壓鎖閉模式來(lái)確保用于校正操作的正確輸入電壓。另外，IC提供了過(guò)流和過(guò)溫防護(hù)以及硬切換(hard switching)檢測(cè)。如果IC檢測(cè)到任何這些故障或其他故障，用于驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)的輸出被迫使變成OFF(關(guān)閉)值或安全值。
參照?qǐng)D18，其中示出了從外部連接到IC的選擇延遲電路。兩個(gè)與(AND)門的輸入是來(lái)自IC的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及HO和LO。圖18示出的電路提供了一種延遲機(jī)制，從而使預(yù)熱和點(diǎn)火模式期間的驅(qū)動(dòng)器輸出不會(huì)對(duì)諧振轉(zhuǎn)換器的操作產(chǎn)生影響。
圖19提供了相位延遲控制器如何操作的視圖。圖中的時(shí)序圖示出了相位基準(zhǔn)、相位反饋和相位誤差信號(hào)。在該圖中，相位反饋與相位基準(zhǔn)輕微錯(cuò)開(kāi)地不在一條直線上，該直線由電流感測(cè)電壓Vcs的零交叉決定。相位的差值產(chǎn)生了呈現(xiàn)為短的尖峰(spike)形式的相位誤差信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間指出了相位誤差。相位誤差信號(hào)被輸入壓控振蕩器，其在圖中被顯示為帶有因相位誤差差異而稍稍增長(zhǎng)的電壓。VCO輸出則調(diào)節(jié)諧振轉(zhuǎn)換器的頻率以將相角誤差驅(qū)動(dòng)至零。
現(xiàn)在參照?qǐng)D20，相位延遲控制器的操作范圍可通過(guò)管腳MIN和MAX進(jìn)行編程。管腳MAX上的外部電阻器設(shè)定了諧振轉(zhuǎn)換器的最大輸出功率。最大輸出范圍與管腳DIM上的5伏相應(yīng)。類似地，與管腳MIN耦合連接的外部電阻設(shè)定了最大相移，或諧振轉(zhuǎn)換器的最小輸出功率。如圖20所示，諧振轉(zhuǎn)換器的最小輸出功率與管腳DIM上的0.5伏相應(yīng)。如圖20所示，這些可編程的范圍允許使用者在0到-90°的范圍內(nèi)設(shè)置基準(zhǔn)相角。從0到-90°的相角范圍與管腳MIN上1到3伏的受限制的電壓相應(yīng)。通過(guò)利用IC電路的亮度調(diào)節(jié)功能(dimming function)，這種特征允許使用者設(shè)定基準(zhǔn)相角以實(shí)現(xiàn)特定的功率輸出。
現(xiàn)在參照?qǐng)D21，其中示出了使用IC的電流感測(cè)電路。電流感測(cè)電阻RCS被用于獲得管腳CS上的信號(hào)，其可被用于檢測(cè)零交叉點(diǎn)以及過(guò)流情況。過(guò)流檢測(cè)可產(chǎn)生用于將半橋驅(qū)動(dòng)器置于安全關(guān)閉模式的故障指示。安全關(guān)閉模式一直持續(xù)，直到例如過(guò)流情況消除或供給電路的電源被循環(huán)(cycled)為止。電流感測(cè)信號(hào)被與管腳COM上的公用信號(hào)基準(zhǔn)進(jìn)行比較以確定零交叉。零交叉被用于確定上面討論并如圖19所示的反饋相角。如圖19和圖22所示，在由信號(hào)LO驅(qū)動(dòng)的半橋的低端開(kāi)關(guān)為高電平時(shí)的間隔內(nèi)可獲得反饋相角。在此間隔期間，管腳CS上的電壓經(jīng)歷了零交叉，其提供相角的指示以控制諧振電路。
參照?qǐng)D22，當(dāng)?shù)投碎_(kāi)關(guān)被上升到高電平的信號(hào)LO驅(qū)動(dòng)打開(kāi)(ON)時(shí)，由于正在打開(kāi)的低端開(kāi)關(guān)所造成的開(kāi)關(guān)噪聲在管腳CS上產(chǎn)生電壓瞬變。如圖21和圖22所示，為避免錯(cuò)誤地測(cè)量電壓Vcs的零交叉，為瞬變電路引入了400納秒的測(cè)量延遲周期。
現(xiàn)在參照?qǐng)D23，其中示出了與帶有LCC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的用于實(shí)現(xiàn)相位延遲控制的IC連接的外部電路。LCC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)選地受益于這種諧振電路結(jié)構(gòu)所具有的附隨效率(attendant efficiencies)和負(fù)載范圍。圖23中示出的電路還提供了過(guò)流和開(kāi)路防護(hù)，用以防止電路在可能導(dǎo)致部件損壞的范圍內(nèi)操作。如圖17所示，如果IC感測(cè)到故障，HO和LO驅(qū)動(dòng)信號(hào)被驅(qū)動(dòng)到關(guān)閉(OFF)或安全狀態(tài)，從而對(duì)諧振轉(zhuǎn)換器中的部件提供了適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。
圖23示出的電路圖提供了帶有下列特性的諧振轉(zhuǎn)換器線性輸入電壓范圍400V±10％輸出功率300W直流(DC)輸出電壓12V最小開(kāi)關(guān)頻率60kHzRfmin＝15K歐姆Rmin＝9K歐姆Rmax=RfminRmin4Rmin-Rfmin(1-ψ45)=7.64KΩ]]>Rcs＝0.14歐姆參照?qǐng)D24，其中示出了LCC諧振轉(zhuǎn)換器電路拓?fù)淠Ｐ?。開(kāi)關(guān)M1和M2分別由輸出信號(hào)HO和LO開(kāi)關(guān)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D25，其中示出了LCC諧振轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器增益的波形。如上面所討論的，所感興趣的轉(zhuǎn)換器增益是在諧振轉(zhuǎn)換器的操作頻率處于諧振頻率之上時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的那些增益。
如圖26所示，利用LCC諧振電路仿真來(lái)測(cè)試根據(jù)本發(fā)明所述的相位延遲控制器設(shè)計(jì)。帶有輸入Q1和Q2的開(kāi)關(guān)是在諧振轉(zhuǎn)換器中使用的功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開(kāi)關(guān)的模型。因而，開(kāi)關(guān)信號(hào)Q1和Q2分別由IC輸出信號(hào)HO和LO驅(qū)動(dòng)。電路仿真指出，這種相位延遲控制器可利用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來(lái)提高效率和增大動(dòng)態(tài)輸出范圍。
參照?qǐng)D27，其中示出了符合本發(fā)明的功率級(jí)設(shè)備的電路圖。應(yīng)注意轉(zhuǎn)換器的諧振級(jí)中的LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D28，其中示出了控制設(shè)備的電路圖。通過(guò)使用結(jié)合了兩個(gè)與門的延遲電路，就可以選擇性地從電路操作中去除由IC提供的預(yù)熱和點(diǎn)火功能。由與門提供的控制信號(hào)被提供給為MOSFET開(kāi)關(guān)提供信號(hào)的MOSFET驅(qū)動(dòng)器。
對(duì)電路參數(shù)的測(cè)量是在諧振轉(zhuǎn)換器以滿負(fù)荷和20％滿負(fù)荷工作的情況下獲得的。獲得的測(cè)量結(jié)果用于高端開(kāi)關(guān)的漏極電壓、低端開(kāi)關(guān)的漏極電流、電容器電壓、變壓器的初級(jí)端的電感電流和電壓。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路中的MOSFET開(kāi)關(guān)被打開(kāi)時(shí)，體二極管(body diode)導(dǎo)通，從而允許MOSFET在零電壓下導(dǎo)通以避免開(kāi)關(guān)損耗。然而，在諧振轉(zhuǎn)換器的部件上觀察到了通常伴隨PWM轉(zhuǎn)換器的更高的電壓和電流峰值水平。即便當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，諧振轉(zhuǎn)換器的相位延遲的改變也是小的，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率和諧振頻率的比例改變相對(duì)較小。
利用8.4和12V的輸出電壓測(cè)得高端開(kāi)關(guān)的漏極電壓和低端開(kāi)關(guān)的漏極電流，觀察到以下的結(jié)果。基于負(fù)載的諧振電路的操作特征維持不變，輸出電壓的改變導(dǎo)致相應(yīng)輸出功率的改變。觀察到的開(kāi)關(guān)頻率也相應(yīng)改變，并且依照本發(fā)明，觀察到的相位延遲被改變以追隨基準(zhǔn)相位。
現(xiàn)在參照?qǐng)D29，其中示出了輸出功率百分比與輸入及輸出電壓的關(guān)系曲線。圖29中示出，可根據(jù)最小輸入電壓調(diào)整輸出電壓，但如果最小輸入電壓小于一定的值，則根據(jù)輸出功率百分比可不調(diào)整輸出電壓。例如，在滿負(fù)荷的20％的情況下，當(dāng)輸入電壓在220V之上時(shí)，輸出電壓可以被調(diào)整。輸出電壓調(diào)整的劃分根據(jù)所需要的滿負(fù)荷輸出功率的百分比而改變。
本發(fā)明的相位延遲控制提供的功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率在諧振頻率以上，從而實(shí)現(xiàn)了高的性能和系統(tǒng)防護(hù)。另外，通過(guò)對(duì)最小相位編程，可以限制輕負(fù)載條件下的硬切換。通過(guò)實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載時(shí)的受限的硬切換，相位延遲控制器提供了超越變頻控制器的優(yōu)點(diǎn)，而這是傳統(tǒng)的頻率控制很難實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的相位延遲控制器比頻率控制器具有更好的線性輸出特性。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，電流感測(cè)電阻Rcs可以具有電流感測(cè)和過(guò)流防護(hù)的雙重功能。因而，它消除了對(duì)執(zhí)行這兩個(gè)功能的附加部件的需求。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，相位延遲控制不依賴于部件的容限(tolerance)并允許變壓器的漏電感(stray inductance)用作LCC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的初級(jí)感應(yīng)器。許多其他類型的拓?fù)淇膳c這種控制結(jié)構(gòu)一起使用，通過(guò)最小相位限制可以降低諧振電路對(duì)部件容限的靈敏度。因而，與PWM轉(zhuǎn)換器相比較，本發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器一般允許更高的頻率范圍。
雖然本發(fā)明是結(jié)合其特定實(shí)施例描述的，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，許多其它的變換、修改和應(yīng)用是顯而易見(jiàn)。因此，本發(fā)明優(yōu)選地不受本文特定公開(kāi)的限制，而只受所附權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于控制諧振功率轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換器控制器，包括電流感測(cè)電路，用于檢測(cè)功率轉(zhuǎn)換器反饋信號(hào)的相位并提供相關(guān)的相角信號(hào)；鎖相環(huán)電路，用于控制所述功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，所述相角信號(hào)被加載給所述鎖相環(huán)的一個(gè)輸入；相角誤差信號(hào)，其在所述鎖相環(huán)中與基準(zhǔn)相角和所述相角信號(hào)相關(guān)地產(chǎn)生；所述鎖相環(huán)中的壓控振蕩器，用于調(diào)節(jié)所述諧振功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，所述相角誤差信號(hào)被加載給所述壓控振蕩器的一個(gè)輸入；與所述鎖相環(huán)耦合連接的開(kāi)關(guān)輸出電路，用于控制所述諧振功率轉(zhuǎn)換器中的功率開(kāi)關(guān)的切換；以及功率轉(zhuǎn)換器反饋信號(hào)，其受所述諧振轉(zhuǎn)換器中的功率開(kāi)關(guān)的切換的影響，從而所述諧振功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出可通過(guò)由所述鎖相環(huán)提供的相位調(diào)節(jié)而受到控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述功率轉(zhuǎn)換器反饋信號(hào)包括與所述功率開(kāi)關(guān)中的一個(gè)耦合連接的電阻之上的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述諧振功率轉(zhuǎn)換器具有特征頻率，并且所述開(kāi)關(guān)頻率等于或大于所述特征頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，進(jìn)一步包括由所述電流感測(cè)電路提供的故障信號(hào)，用于通過(guò)指示出故障以允許將所述諧振功率轉(zhuǎn)換器置于操作的安全模式中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述控制器在集成電路上實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，進(jìn)一步包括用于有選擇地啟動(dòng)或禁止控制器功能的選擇電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述電流感測(cè)電路提供了開(kāi)關(guān)電壓的零交叉的指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，進(jìn)一步包括用于以特定的時(shí)間周期來(lái)制造所述相角信號(hào)的消隱電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述特定的時(shí)間周期約為400納秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述相角控制器在約0到-90°的范圍內(nèi)是可操作的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述諧振功率轉(zhuǎn)換器包括LCC電路。
12.一種開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其具有通過(guò)在半橋結(jié)構(gòu)中的功率開(kāi)關(guān)操作而受到調(diào)節(jié)的功率輸出，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)的切換受到權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器的控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，進(jìn)一步包括用于確定最小相位偏移基準(zhǔn)和最大相位偏移的可編程輸入。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換器控制器，其特征在于，所述電阻與半橋開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的低端開(kāi)關(guān)耦合連接。
15.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括用于存儲(chǔ)電能的諧振電路；與所述諧振電路耦合連接的半橋開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，用于控制所述電能轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出所述諧振電路；與所述半橋電路耦合連接的控制器，用于控制所述半橋電路中的開(kāi)關(guān)的切換；與所述半橋電路和所述控制器耦合連接的電流感測(cè)器件，用于為所述控制器提供電流感測(cè)信號(hào)；所述控制器中的電流感測(cè)信號(hào)電路，用于根據(jù)所述電流感測(cè)信號(hào)提供相角信號(hào)；以及所述控制器中的鎖相環(huán)，其可操作接收所述相角信號(hào)，并提供用于切換所述半橋電路中的開(kāi)關(guān)的切換控制，從而使所述諧振電路中的所述電能的相位朝向基準(zhǔn)相位調(diào)節(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述鎖相環(huán)電路進(jìn)一步包括壓控振蕩器，其提供用于調(diào)節(jié)所述諧振電路中的相位的可變振蕩輸出。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電流感測(cè)器件為電阻，測(cè)量所述電阻上的電壓以獲得所述電流感測(cè)信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述控制電路被并入到集成電路中。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括與所述控制器耦合連接的功能選擇電路，其用于有選擇地調(diào)節(jié)控制器功能。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述控制器進(jìn)一步包括電流感測(cè)消隱器件，用于以特定的時(shí)間間隔屏蔽所述電流感測(cè)信號(hào)。
全文摘要
一種用于功率轉(zhuǎn)換器的相位延遲控制器，與鎖相環(huán)和電流感測(cè)反饋協(xié)同工作以改善控制的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)輸出范圍。所述鎖相環(huán)包括壓控振蕩器，其基于從功率轉(zhuǎn)換器輸出的相位所獲得的誤差信號(hào)而受到控制。被施加給壓控振蕩器的誤差信號(hào)為轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率偏移以將誤差驅(qū)動(dòng)至零。該功率轉(zhuǎn)換器包括LCC諧振電路，其控制諧振電能以提高開(kāi)關(guān)速度和功率密度。
文檔編號(hào)H02M3/337GK1602580SQ02824777
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月12日
發(fā)明者托馬斯J·里巴里希 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司