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CN102035407A - 响应于负载变化具有频率变化的ac-dc开关功率变换器 - Google Patents

响应于负载变化具有频率变化的ac-dc开关功率变换器 Download PDF

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CN102035407A CN2010102700698A CN201010270069A CN102035407A CN 102035407 A CN102035407 A CN 102035407A CN 2010102700698 A CN2010102700698 A CN 2010102700698A CN 201010270069 A CN201010270069 A CN 201010270069A CN 102035407 A CN102035407 A CN 102035407A
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Abstract

本发明公开了一种操作开关功率变换器的方法，该开关功率变换器具有由驱动信号控制的至少一个功率开关，该驱动信号具有开关频率。该方法包括：监控开关功率变换器的输出功率；判断输出功率是否降低到阈值水平之下；以及响应于输出功率降低到该阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。本发明还公开了控制器和开关功率变换器(包括PFC变换器)。

Description

响应于负载变化具有频率变化的AC-DC开关功率变换器
技术领域
本发明涉及响应于负载变化来变化AC-DC开关功率变换器的操作频率。
背景技术
本部分提供涉及本公开的背景信息，这些信息并不一定是现有技术。
AC-DC开关功率变换器典型地包括用于选择性地将输入AC电源连接到变换器电路的一个或更多个功率开关。每个功率开关通常由具有恒定频率和可变占空比的驱动信号控制。通过调节驱动信号的占空比，变换器的输出功率受到控制。
发明内容
本部分提供本公开的综述，且并不是本发明全部范围和所有特征的综合公开。
根据本公开的一个方面，公开了一种操作AC-DC开关功率变换器的方法，该AC-DC开关功率变换器具有由驱动信号控制的至少一个功率开关，该驱动信号具有开关频率。该方法包括监控开关功率变换器的输出功率；判断输出功率是否降低到阈值水平之下；以及响应于输出功率降低到该阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。
根据本公开的另一方面，一种AC-DC开关功率变换器包括用于耦合到整流AC电压的输入、用于向负载提供输出功率的输出、耦合在该输入和输出之间且包括至少一个功率开关的功率电路以及控制器。该控制器配置成：使用具有开关频率的驱动信号控制功率开关；判断输出功率是否降低到阈值水平之下；以及响应于输出功率降低到阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。
其他应用性领域将从此处提供的描述变得显现。应当理解，本公开的各个方面可以独立地实施或与一个或更多其他方面组合地实施。还应当理解，本概述中的描述和特定示例仅用于说明目的且并不限制本公开的范围。
附图说明
此处描述的附图仅用于所选实施例而非全部可能实施例的说明目的，且并不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的一个方面操作AC-DC开关功率变换器的方法的框图。
图2是根据本公开的一个示例性实施例的AC-DC开关功率变换器的框图。
图3是根据本公开的另一示例性实施例的PFC升压变换器的框图。
图4A-4C是说明当负载电流降低到阈值电流水平之下时图3的变换器的开关频率中的降低的波形图。
图5A-5D是说明当负载电流维持在阈值电流水平之下最小时间周期时开关频率中的降低的波形图。
图6A-6D是说明不导致开关频率变化的动态负载条件的波形图。
图7A-7D是说明当负载电流增加到电流阈值水平之上时开关频率中的增加的波形图。
图8A-8D是说明响应于在低负载条件期间开始的动态负载条件的开关频率中的增加的波形图。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述示例性实施例。
提供示例性实施例是为了使得本公开将被本领域技术人员彻底理解且向本领域技术人员传达本发明的范围。提出诸如特定组件、装置和方法的示例的很多特定细节是为了提供本公开的示例性的透彻的理解。对于本领域技术人员而言，很明显，不必采用特定细节，示例性实施例可以以很多不同形式实施且其并不应理解为限制了本公开的范围。在一些示例性实施例中，并不详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的机制。
此处使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的而并不表示限制。当在此使用时，除非上下文明确指明，单数形式“一”、“一个”和“该”可以包括复数形式。术语“包含”及其动名词、“包括”以及“具有”是包含性的且因此指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在。除非明确指定为表现顺序，此处描述的方法步骤、处理和操作不应理解成必须要求它们以讨论或示意的特定顺序表现。还应当理解可以采用附加或备选步骤。
当元件或层被称为“在...上”、“啮合到”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，它可以直接位于其他元件或层上，啮合、连接或耦合到其他元件或层，或者可以存在中间元件和/或层。与此对照，当元件被称为“直接位于...上”、“直接啮合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词汇应以类似的方式理解(例如“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。当在此使用时，术语“和/或”包括一个或更多相关列举项的任意和所有组合。
尽管此处术语第一、第二、第三等可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受这些术语限制。这些术语可以仅用于从其他元件、组件、区域、层或部分区分一个元件、组件、区域、层或部分。除非上下文明确指明，此处使用的诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语并不暗示序列或顺序。因而，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以命名为术语第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例性实施例的教导。
为了描述的简单性，诸如“内部”、“外部”、“下方”、“之下”、“下面”、“之上”、“上方”等空间相对术语此处可用于描述一个元件或特征与附图中示出的其他(多个)元件或(多个)特征的关系。除了附图中示意的取向之外，空间相对术语可以旨在包含使用的装置或操作的不同取向。例如，如果图中的装置倒置，则描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件取向为在其他元件或特征“之上”。因而，示例术语“之下”可以包含之上和之下两个方向的取向。装置可以不同取向(旋转90度或在其他方向)且此处使用的空间相对描述符应相应地解释。
图1示出操作AC-DC开关功率变换器的方法100，该AC-DC开关功率变换器包括通过具有开关频率的驱动信号控制的至少一个功率开关。如图1所示，该方法100包括：在方框102中监控开关功率变换器的输出功率，在方框104判断该输出功率是否降低到阈值水平之下；以及如方框106所示，响应于输出功率降低到阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。以这种方式，驱动信号的开关频率可以响应于指示负载变化的输出功率中的变化而变化。
第一开关频率可以大于或小于第二开关频率。在一些实施例中，开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率以改善在减小负载条件期间功率变换器的效率。例如，如果功率变换器设计由电容性开关损耗(例如，MOSFET栅极电容、啁啾(choke)绕线电容等)支配，第一频率可以大于第二频率，使得在减小负载条件期间降低开关频率以改善功率变换器的效率。其他功率变换器设计可以由磁芯损耗支配。在该情况下，第一频率可以小于第二频率，使得开关频率增加以在减小负载条件期间改善功率变换器的效率。第二频率可以等于在减小负载条件期间功率变换器可以操作而不使磁组件饱和的最小频率。备选地，开关频率可以由于不同于改善效率的其他因素而变化。在这种情况下，可以基于其他因素选择第一和第二开关频率。
如上所述，在满足功率变换器的操作条件时改变驱动信号的开关频率。该操作条件可以根据这些教导的任意给定应用的需求定义。在一些实施例中，操作条件定义为使得开关频率中的变化将不会导致控制中的明显中断和/或磁元件饱和。例如，如果功率变换器耦合到整流AC输入电压，则操作条件可以定义为当AC输入电压约为零伏特时。以这种方式，在AC输入电压约为零伏特时改变开关频率将不会导致电感器电流中的突然增加，这种突然增加进可能将导致不稳定条件。小于峰值整流AC输入电压的百分之十的电压将被认为约为零伏特。
只要输出功率降低到阈值水平之下且满足定义的操作条件，就可以改变开关频率。备选地，可以在输出功率降低到阈值水平之下且满足定义的操作条件之后一段时间改变开关频率。例如，在开关频率变化之前，可能需要输出功率保持在阈值水平之下最小时间周期。以这种方式，如有需要，可以避免响应于输出功率中的瞬时(即比最小时间周期短)下降而改变开关频率。最小时间周期可以基于开关功率变换器的规格，诸如动态负载规格。在一个实施例中，开关频率在最小时间周期消逝之后在下一次满足操作条件时改变。
例如可以通过测量(或从另一系统推断诸如驱动信号的脉冲宽度的变量)输出电流和输出电压且计算输出功率来监控输出功率。在功率变换器具有恒定电压输出的情况下，可以通过只监控输出电流来监控输出功率。监控的输出电流可以与电流阈值进行比较。类似地，在功率变换器具有恒定电流输出的情况下，可以通过只监控输出电压来监控输出功率。监控的输出电压可以与电压阈值进行比较。控制器还可以接收指示输入电流和/或输入电压的输入。
该方法还包括响应于输出功率增加到阈值水平之上，在满足功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第二开关频率变化为第一开关频率。
对于本领域技术人员而言，很明显，当输出功率等于阈值水平时，可以解释为输出功率位于阈值水平之上或者输出功率位于阈值水平之下。
尽管仅提及了两个开关频率，该方法备选地可以在任意给定实施例中采用三个或更多个频率。例如，可以采用三个不同的开关频率，每个开关频率对应于输出功率水平的不同范围。
另外，上述方法可以在开关功率变换器启动时执行，或者备选地，在一些延时之后执行。例如，如果功率变换器配置成具有恒定电压输出，则该方法的执行可以延迟，直到输出电压达到设置点电压且限定的设置时间过期。在一些实施例中，设置时间可以是输出电压达到设置点电压之后的100ms至200ms的量级。
上述方法可以以硬件或硬件与软件的组合实施。硬件可以包括模拟电路、数字电路、或模拟和数字电路的组合。而且，功率变换器可以采用任意合适的技术，例如升压、降压、降压-升压、反激(flyback)或其他拓扑。在一些实施例中，功率变换器是有源PFC变换器。
功率变换器可以耦合到任意合适的AC输入源，该AC输入源例如包括单相或多相(例如三相)电力网络、DC-AC逆变器的输出等。
现在将参考图2-8描述适于执行上述方法的AC-DC功率变换器的一些示例。不过，应当理解，本公开的教导不限于下面描述的示例性功率变换器，且可以在各种其他AC-DC功率变换器设计中实施。
图2示出AC-DC开关功率变换器200的一个示例性实施例。如图2所示，功率变换器200包括用于耦合到整流AC电压的输入210、用于向负载(未示出)提供输出功率的输出以及耦合在输入210和输出212之间的功率电路208。功率电路208包括至少一个功率开关206。功率变换器200还包括控制器202，该控制器202配置成使用具有开关频率的驱动信号204控制功率开关206。控制器202配置成判断输出功率是否降低到阈值水平之下。为此目的，控制器可以接收例如代表功率变换器200的输出电流和/或输出电压的(多个)反馈信号(未示出)。响应于输出功率降低到阈值水平之下，在满足开关功率变换器200的操作条件时，控制器将驱动信号204的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。
开关功率变换器200可以配置成在输出212处提供恒定电压或恒定电流。而且，功率变换器200可以是升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器或任意其他合适类型的开关功率变换器。变换器200可以是多级功率变换器的第一级或后续级。因而，输入210可以连接到多级功率变换器的前一级或者例如连接到单相或多相AC电力网络。连接到输出212的负载(未示出)可以是多级功率变换器的后续级或任意其他负载类型。另外，开关功率变换器200可以是有源功率因数校正(PFC)电路。控制器可以配置成执行该方法以及上述相关备选方法。
图3说明具有恒定电压输出的PFC变换器300的一个示例性实施例。变换器300包括控制器302。AC电源(未示出)连接到馈入二极管桥306的EMI滤波器304。整流后的AC连接到输入308。电阻器310或电阻器312衰减整流后的AC以用于输入到控制器302。电流传感器314也连接到控制器302。电感器316、功率开关318、二极管320以及电容器321相连以形成升压功率电路。输出326处的电压被电阻器322或324衰减以用于反馈到控制器302。控制器302使用驱动信号328控制功率开关318。
控制器302配置成设置驱动信号328的开关频率。控制器302判断输出314处的电流是否降低到电流阈值水平之下。当此发生时，当输入308处的整流AC电压约为零伏特时，控制器302将开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。这在图4A-C中示出，其中，负载电流400被示为满额定负载电流的百分比。在该示例中，电流阈值水平402被设置为满载电流的百分之二十五，且开关频率404在75kHz或55kHz之间变换。电压输入406是整流的AC电压输入。最初，如图4B所示，操作频率设置在75kHz。这是功率变换器300被设计为处理满载(以及可能的过载条件)而没有饱和的最小操作频率。如果负载电流400保持在满载电流的百分之二十五之上，则操作频率将维持在75kHz。然而，当负载电流降低到如图4A所示的阈值水平402之下时，在整流AC电压输入下一次约为零伏特时，开关频率从75kHz变化为55kHz(如图4B所示)。
图5-8示出仅当输出电流在阈值水平之下保持最小时间周期时改变开关频率的示例。在这些示例中，最小时间周期预设为50ms。不过，应当理解，针对这些教导的任意给定应用，可以选择不同的时间周期。
如图5B所示，在负载电流400降低到如图5A所示的阈值水平402之下之后，等待信号500转变到低值50ms。一旦等待信号500变低，在整流AC电压输入下一次约为零伏特(图5D)时，开关频率404从75kHz变化为55kHz(图5C)。
图6A-D示出负载电流400降低到阈值电流水平402之下小于50ms时的相关示例。因为负载电流400没有在阈值水平402之下保持50ms，开关频率404维持在75kHz且不变。
图7或8的示例假设负载滞后为10％，且要求对于百分之二十(或更小)负载条件具有改善的效率。因此，阈值电流水平设置为满载电流的百分之三十。
图7A-D示出当输出电流在降低到阈值水平之下大于50ms之后又上升到阈值水平之上时将开关频率从55kHz变化为75kHz的示例。如图7B所示，只要负载电流上升到阈值水平402之上，等待信号500从低转变为高。在AC电压输入406下一次约为零伏特时，控制器302将开关频率404变化为75kHz。因而，在该示例中，只要负载电流增加到阈值水平之上，开关频率即增加，但是仅当负载电流在阈值水平之下保持最小时间周期(例如50ms)时开关频率才降低。
图8A-D示出当开关频率404是55kHz时负载电流400瞬时上升到阈值水平402之上的示例。当负载电流400上升到阈值水平402之上时，等待信号500从低转变为高。在整流AC电压输入406下一次约为零伏特时，控制器302将开关频率404从55kHz变化为75kHz。因为此次(如图8A所示)负载电路400保持在阈值水平402之下小于50ms，控制器302并不将开关频率404变化回55kHz。
提供实施例的上述描述是为了说明和描述目的。其并不旨在是排他性的或其并不旨在限制本发明。特定实施例的各个元件或特征一般不限于该具体实施例，而是，即使没有明确示出或描述，在应用时可以在所选实施例中互换和使用。同样其可以以各种方式变型。这种变型并不被认为偏离了本发明，且所有这种修改旨在包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种AC-DC开关功率变换器，包括：
输入，用于耦合到整流AC电压；
输出，用于向负载提供输出功率；
功率电路，耦合在输入和输出之间且包括至少一个功率开关；以及
控制器，配置成：
使用具有开关频率的驱动信号控制功率开关；
判断输出功率是否降低到阈值水平之下；以及
响应于输出功率降低到阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。
2.根据权利要求1所述的变换器，其中，所述控制器还配置成仅当输出功率在阈值水平之下保持最小时间周期时改变驱动信号的开关频率。
3.根据权利要求2所述的变换器，其中，所述功率变换器配置成提供基本恒定的输出电压，且其中所述控制器配置成通过监控输出电流判断输出功率是否降低到阈值水平之下，且响应于输出电流降低到电流阈值水平之下改变开关频率。
4.根据权利要求2所述的变换器，其中，所述控制器还配置成响应于输出功率增加到阈值水平之上将开关频率从第二开关频率变化为第一开关频率。
5.根据权利要求1所述的变换器，其中，所述操作条件是当整流的AC电压输入为零伏特时。
6.根据权利要求5所述的变换器，其中，所述控制器还配置成仅当输出功率在阈值水平之下保持最小时间周期时改变驱动信号的开关频率。
7.根据权利要求6所述的变换器，其中，所述功率变换器配置成提供基本恒定的输出电压，且其中所述控制器配置成通过监控输出电流判断输出功率是否降低到阈值水平之下，且响应于输出电流降低到电流阈值水平之下改变开关频率。
8.根据权利要求6所述的变换器，其中，所述功率变换器是有源功率因数校正电路。
9.根据权利要求6所述的变换器，其中，所述功率变换器配置成提供基本恒定的输出电流，且其中所述控制器配置成通过监控输出电压判断输出功率是否降低到阈值水平之下，且响应于输出电压降低到电压阈值水平之下改变开关频率。
10.根据权利要求1所述的变换器，其中，所述控制器配置成在功率变换器启动之后的指定等待周期期间不改变开关频率。
11.一种操作AC-DC开关功率变换器的方法，该AC-DC开关功率变换器具有至少一个功率开关，所述至少一个功率开关由具有开关频率的驱动信号控制，所述方法包含：
监控开关功率变换器的输出功率；
判断输出功率是否降低到阈值水平之下；以及
响应于输出功率降低到阈值水平之下，在满足开关功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第一开关频率变化为第二开关频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述变化包括仅当输出功率在阈值水平之下保持最小时间周期时改变驱动信号的开关频率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述操作条件是当输入到PFC变换器的整流的AC电压输入为零伏特时。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述变化包括在最小时间周期之后整流的AC电压输入第一次为零伏特时，改变驱动信号的开关频率。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
响应于输出功率增加到阈值水平之上，在满足功率变换器的操作条件时，将驱动信号的开关频率从第二开关频率变化为第一开关频率。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一频率大于所述第二频率。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一频率小于所述第二频率。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述开关功率变换器是PFC变换器。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述开关功率变换器包括耦合到AC电力网络的输入。
20.一种用于开关功率变换器的控制器，所述控制器配置成执行权利要求11所述的方法。
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