CN104917358B - 占空比控制器 - Google Patents

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Abstract

提供了占空比控制器。用于确定用于转换器的脉宽调制器（8）的占空比（d）的控制器（31）包括内电流环路（33）、外电压环路（32）和具有输入电压前馈（35.2）的将两个环路相连接的乘法器（35）。预测单元（34）确定借助于加法器（36）而与参考电流iref相加的修正信号icor，并且其进一步确定样本修正信号（38）以修正电流环路（33）中的电流样本。具有样本修正的此误差受控占空比预测导致改进的总谐波失真以及导致转换器的改进的功率因数。

Description

占空比控制器
技术领域
本发明涉及一种用于确定用于开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的控制器，包括适合于基于来自开关功率转换设备的功率输出的电压反馈信号和参考电压来确定电压控制器输出的电压控制器和适合于确定占空比的电流控制器。本发明还涉及一种用于确定开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的方法和相应开关功率转换设备。
背景技术
转换器通常被用来将电能从一种形式转换成另一种。转换器拓扑可以例如分类为升压、降压或降压-升压转换器，其中，可以将全部的三种拓扑实现为DC至DC或AC至DC转换器。除非另外提及，如在本描述中使用的术语升压转换器、降压转换器和降压-升压转换器应包括DC/DC拓扑以及AC/DC拓扑。
AC/DC升压转换器常常被用于多级开关模式功率转换器的第一级中的功率因数修正（PFC)。此类升压转换器通常被设计成在不连续（DCM）或连续传导模式（CCM）下工作。由于当前控制环路的增益在那些模式之间显著地移位，所以混合传导模式（MCM）在转移时导致电流阶跃，其负面地影响输入电流的谐波失真。另一方面，混合模式操作导致尤其是对于中和较高功率水平而言的在相当磁力大小的情况下的较高效率。
此类AC/DC升压转换器被用来将来自AC供应网络的能量传输到其输出，使得电流遵循输入电压。可采用模拟或数字控制器设计来控制此类转换器。已知控制器设计常常包括内电流环路、外电压环路且可能还包括具有输入电压前馈的连接两个环路的乘法器。
文档“Digital Control of Boost PFC Converters Operating in bothContinuous and Discontinuous Conduction Mode”（Gusseme et al.; 35th Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference，Aachen 2004，p2346-2352）涉及了可以在连续传导模式（CCM）以及不连续传导模式（DCM）下操作的升压PFC转换器的数字控制。为了当在CCM与DCM之间切换时避免输入电流失真，提出了一种占空比前馈，其中，将最佳占空比计算为用于两种传导模式的占空比的组合，并且然后加到控制器的输出。然而，由于仅在电流补偿器之后将前馈信号相加，所以控制器对噪声并不免疫，因此其在商用产品中不能使用。
文献“Digital control for improved efficiency and reduced harmonicdistortion over wide load range in boost PFC rectifiers”（Chen et al.；2009；Power Electronics，IEEE）公开了用于采用预测性电流控制技术以用于CCM操作的升压PFC整流器的另一控制器。提出了通过引入电流修正因数来修改用于DCM操作的此控制技术。通过添加辅助电感器绕组和电压比较器以便检测电感器电压的过零，使得能够实现修正因数的简单计算。然而，提出的解决方案导致复杂的附加网络，不仅增加此类控制器的体积，而且增加此类控制器的成本。
文献“Adaptive tuning of switched-mode power supplies operating indiscontinuous and continuous conduction modes”（Morroni et al.；2009；PowerElectronics，IEEE Transactions，p. 2603-2611）公开了一种用于SMPS、特别是用于CCM和DCM操作之间的转移的自适应控制器。数字稳定裕度监视器向补偿器与PWM之间的闭合环路馈送方波信号，其中，此方波信号的频率被选择成使得交叉频率等于其频率。测量环路增益相位裕度，并且自适应控制器确定比较器系数，使得这些频率满足期望值。
已知控制器设计通常具有令人不满意的总谐波失真（THD）和/或功率因数（PF），易于有噪声和/或在设计方面复杂且是昂贵的。
发明内容
本发明的目的是创建一种关于最初提及的技术领域的控制器，其具有改进的THD和PF，在设计方面是简单的且可用低成本硬件来实现。本发明的另一目的是提供一种相应的开关功率转换设备以及一种用于确定此类开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的相应方法。
由权利要求1的特征来指定关于控制器的本发明的解决方案。用于确定用于开关功率转换设备的脉宽调制器（PWM）的占空比的控制器包括适合于基于来自开关功率转换设备的功率输出的电压反馈信号和参考电压中的至少一个来确定电压控制器输出的电压控制器，和适合于确定占空比的电流控制器（也表示为电流补偿器）。根据本发明，控制器还包括适合于确定修正信号的预测单元和适合于基于修正信号和电压控制器输出来确定加法器输出的加法器。与加法器相结合，术语“基于”意指加法器将修正信号直接地与电压控制器输出或与从电压控制器输出导出的另一信号相加（如例如下面针对其中提供乘法器的情况概述的）。
此外，电流控制器适合于基于加法器输出和来自功率输出的电流反馈信号来确定占空比，并基于占空比、即基于电流控制器的输出来确定修正信号。
虽然上述现有技术主要针对AC/DC转换器，但本发明还涵盖用于DC/DC转换器的控制器。
参考电压是功率转换设备应遵循的电压。其通常由例如后续转换器级的诸如上级控制器之类的外部设备给定。但是，还可能的是由控制器本身来确定或提供参考电压或表示参考电压的值。
通过采用具有用于电流占空比的反馈环路的此类误差受控占空比（也称为占空度）预测，动态地修正了下一占空比，这导致改进的THD以及改进的PF。根据本发明的控制器基于已知控制器设计，其中，仅添加了某些另外的功能性。因此其可以基于非常成本有效的现有解决方案来实现。
在DC/DC转换器的情况下，如上所述，电压控制器输出通常在将其与修正信号相加之后被直接地馈送到电流控制器输入。在某些类型的DC/DC转换器（例如包括如下所述的输入电压前馈的那些）和AC/DC转换器中，控制器优选地还包括乘法器。此乘法器适合于基于电压控制器输出、开关功率转换设备的输入电压和可选地所述输入电压前馈（在包括此类前馈的DC/DC转换器的情况下）来确定乘法器输出。或者换言之，为了确定用于电流控制器的参考电流，乘法器将电压控制器输出和输入电压相乘。
相应地，加法器适合于通过将修正信号与乘法器输出相加来确定加法器输出。并且电流控制器基于加法器输出和来自功率输出的电流反馈信号来确定占空比。
在下文中且只要未另外提及，术语转换器被用于指定SMPS（开关模式电源），其中由PWM控制信号来控制可控开关。
此类PWM控制器广泛地在升压转换器中使用，因此，该控制器优选地适合于确定AC/DC升压转换器、例如PFC升压转换器的占空比。
但是如已提到的，还可在其他转换器拓扑中采用本发明，诸如在DC/DC或AC/DC升压、降压和降压-升压转换器且特别是在PFC降压和PFC-降压-升压转换器中。
在本发明的优选实施例中，预测单元不仅基于占空比而且基于至少一个另外的信号来确定修正信号。此至少一个另外的信号是参考电压或电压反馈信号。附加地考虑参考电压或电压反馈信号允许以较高的精度确定修正信号。当然，还有可能的是参考电压和电压反馈信号二者被预测单元用来确定修正信号。
在甚至更加优选实施例中，预测单元还基于转换器的输入电压来确定修正信号。
理想占空比取决于许多不同的因素，诸如例如输入电导、转换器的输出扼流圈的阻抗（所述扼流圈例如在升压转换器的情况下是升压扼流圈）、开关频率以及转换器的输出和输入电压。
为了更准确地确定占空比，在本发明的优选实施例中，预测单元适合于基于占空比且基于参考电压以及转换器的输入电压两者来确定修正信号。
在升压转换器的情况下，通常针对给定操作模式实行预测的占空度的确定。如果升压转换器在CCM下操作，则理想占空度通常仅取决于输入电压VIN和输出（或升压）电压VOUT，如等式I中所示：
(I)
如果升压转换器在DCM下操作，理想占空度的确定更复杂。通常将其确定为取决于输入电导Ge、升压扼流圈电感L、开关时段T、输入电压VIN和输出电压VOUT，如图等式II中所示：
(II)
在本发明的优选实施例中，升压转换器在混合传导操作模式下操作。在这种情况下，通过考虑用于CCM以及DCM操作的理想占空度来确定理想占空度。这可以以许多方式来完成，诸如例如任意地或以给定变化频率在两个确定模式之间切换。但是当用于MCM的理想占空度被确定为用于针对CCM或DCM传导模式的两个理想占空比和的相应最小值时实现最好的结果。因此，预测单元优选地适合于确定修正信号，使得DCM/CCM混合操作模式中的占空比被选择为DCM操作模式下的占空比和CCM操作模式下的占空比中的最小值。
然后，相应地修正经采样的升压扼流圈电流。这意味着：由于理想占空度取决于未精确地已知的参数，所以经由附加反馈环路来对它们进行误差控制。归因于抗噪声度方面，结果得到的理想占空度不得不在可以将其与当前补偿器的输入相加之前被处理。
原则上，电流反馈信号可以是表示转换器输出电流的任何种类的信号。其可以是被馈送到电流控制器的输出电流本身（或其样本），或者其可以是从输出电流导出的信号。
在本发明的另一优选实施例中，控制器为了确定电流反馈信号而进一步包括样本修正。此样本修正适合于基于由电流控制器确定的占空比且基于通过开关功率转换设备的输出扼流圈的电流来确定电流反馈信号。此类转换器还可包括超过一个输出扼流圈，在这种情况下，样本修正设备优选地适合于基于通过转换器的每个输出扼流圈（如果它们相互不同）的电流来确定电流反馈信号。包括两个并联升压级的升压转换器是根据本发明的转换器的示例，其具有超过一个输出扼流圈。在其他拓扑中，可将升压扼流圈分离成布置在转换器的不同位置处的两个或更多部分。
提供此类样本修正是因为通常在上升沿中间对通过升压扼流圈的电流进行采样。不同于在CCM期间，此经采样的值在DCM期间不同于平均电流。因此，在DCM期间必须修正经采样的输出电流isample以准确地反映平均电流iAVG。
通常在上升沿中间对通过升压扼流圈的电流进行采样。不同于在CCM期间，此经采样的值在DCM期间不同于平均电流。优选地对经采样的输出电流isample进行修正以确定平均电流iAVG如下：
其中，修正因数kcor对应于二极管的传导时间与整个开关周期之间的比。对于分段恒定开关频率、分段恒定输入和升压电压，可以根据占空比d、输入电压VIN和输出电压VOUT来确定修正因数kcor如下：
针对已修正电流样本的确定，一般地可以由预测单元且优选地还由样本修正考虑不同信息，诸如例如控制器本身或转换器的不同电流或电压信号，这例如取决于特定应用或取决于转换器的期望行为。在优选实施例中，预测单元适合于在第一步骤中确定预测的占空比。在第二步骤中，将电流控制器的逆函数应用于预测的占空比从而产生要与乘法器输出相加的修正信号。
在进一步的优选实施例中，还由样本修正来考虑此预测的占空比以确定电流反馈信号。因此，如从用于确定修正因数kcor的公式可以看到的，样本修正优选地适合于进一步基于由预测单元确定的占空比d而不是由电流控制器所确定的占空度来确定电流反馈信号。样本修正还可以适合于考虑两个占空比，即由电流控制器所确定的占空比以及由预测单元所确定的占空比。
在本发明的另一实施例中，预测单元还适合于确定表示转换器预期将在哪个操作模式下工作的预测的模式信号。然后可以例如将此预测的模式信号提供给样本修正，所述样本修正在这种情况下适合于进一步基于由预测单元所提供的此预测的模式信号来确定电流反馈信号。通过考虑预期操作模式，样本修正可以更高效地和/或更准确地修正电流样本，特别是在DCM操作中。
可以将如上所述的控制器实现为模拟控制器，其中用模拟元件来实现某些或所有控制器部分。此类模拟设计通常是庞大的且要求复杂的制造过程。在本发明的优选实施例中，因此将控制器实现为数字控制器，作为根据分立部分设计的数字控制器或被相应地编程的微处理器等。作为微处理器的实现是有利的，因为一旦软件存在，相应地编程的处理器非常易于生产。在此类数字控制器的情况下，将电压控制器、乘法器、电流控制器、预测单元和样本修正实现为软件。由于数字信号处理器（DSP）非常良好地适合于且被设计成处理不同的信号，所以最优选的是将控制器实现为DSP。
在数字控制器的情况下，应注意的是以连续的时间间隔实行信号的处理，其中，某些信号的先前的值形成用于确定接下来的值的基础。因此，对于本领域的技术人员而言清楚的是，如在权利要求中所使用的术语占空比可指的是占空比的在时间方面的不同值。因此应将权利要求以及说明书解释成使得基于先前、例如直接在前面的步骤的占空比或者甚至基于占空比的两个或更多先前值来确定用于给定时间间隔的占空比。
如已经提及的，基于若干输入信号来确定电压控制器输出。这些输入信号中的一个基于参考电压。
原则上有可能适配电压控制器，使得可以将参考电压直接地用作用于电压控制器的输入。然而，在本发明的优选实施例中，电压控制器适合于基于参考电压的转换速率来确定电压控制器输出。因此，控制器包括用于确定参考电压的转换速率的块。
电压控制器的另一输入信号是来自转换器的功率输出的电压反馈信号。再次地，有可能仅仅将转换器输出直接地连接到电压控制器。然而，在数字控制器的情况下，然而优选的是电压反馈信号包括功率输出电压样本。
类似地，电流反馈信号优选地包括功率输出的电流样本。
如上文概述的，乘法器基于电压控制器输出和转换器的输入电压来确定乘法器输出。在本发明的进一步的优选实施例中，除电压控制器输出之外，乘法器使用基于转换器输入信号的两个输入来确定乘法器输出。一个是输入电压的电压样本且另一个是转换器输入电压的前馈信号。
在另一优选实施例中，控制器还包括平均单元，其适合于根据提供给输入电压前馈的输入电压来确定平均输入电压信号，所述输入电压前馈适合于基于平均输入电压信号来确定输入电压前馈信号。平均单元减少输入电压的大的和/或快速的变化的影响。
可使用每个适当平均单元，但是有利地，平均单元包括EMA（指数移动平均）。
然而，一般地，乘法器还可适合于基于另外的或不同的信息来确定乘法器输出，所述另外的或不同的信息诸如例如控制器本身或转换器的任何电流或电压信号，这例如取决于特定应用或转换器的期望行为。
可以在单相或多相转换器中使用如上所述的控制器。在多相转换器的情况中，控制器优选地适合于单独地确定用于转换器的每个相位的占空比。从而，术语单独地并不意味着将使用两个不同控制器——情况也可能如此——而是相同控制器确定用于转换器的每个相位的占空比。特别地，多次提供控制器的某些部件，即每转换器相位一次，或者它们仅被提供一次且适合于每相位产生某些信号一次。例如，预测单元优选地适合于每相位产生预测的占空比和单独修正信号。并且控制器包括每相位的电流控制器和加法器以针对每个相位单独地将相应修正信号与乘法器输出相加并将加法器输出馈送到相应电流控制器。并且当然，每个电流控制器确定馈送到转换器的每个相位的PWM的每相位的单独占空比。
如果输入电压在某个范围内，则转换器只能适当地工作。如果输入电压过小，则控制器优选地包括诸如某些软件或硬件实现的模块之类的装置，其检测过低输入电压并相应地将转换器或其部分开启或关断。这可以例如通过启用或禁用转换器PWM来完成。
为了针对过压保护转换器，转换器通常包括硬件实现的过压保护。但是在本发明的优选实施例中，控制器包括用于根据输入电压而启用或禁用脉宽调制器的过压保护。如上文概述的，优选地用软件来实现控制器功能性，因此也优选地纯用软件来实现此过压保护。可以替代或附加于转换器的其他过压保护设备提供此过压保护。
由权利要求13的特征来指定关于开关功率转换设备的本发明的解决方案。根据本发明的具有用于将开关功率转换设备的开关开启和关断的脉宽调制器的开关功率转换设备简单地包括如上所述的用于确定用于其脉宽调制器的占空比的控制器。
由权利要求14的特征来指定关于方法的本发明的解决方案。
用于确定用于开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的方法包括：基于来自开关功率转换设备的功率输出的电压反馈信号和参考电压中的至少一个来确定电压控制器输出；以及基于电压控制器输出和来自功率输出的电流反馈信号来确定占空比。根据本发明，该方法还包括确定修正信号并将该修正信号与电压控制器输出相加，其中，基于占空比、即基于电流控制器的输出来确定修正信号。
从以下详细描述和全部的权利要求得到其他有利实施例和特征的组合。
附图说明
用来解释实施例的图示出：
图1是根据本发明的升压转换器的示意性描述；
图2是根据本发明的控制器的示意性描述；
图3是用于混合传导模式的占空比的确定的示意性描述；
图4是根据本发明的控制器的示意性、更详细描述；以及
图5是根据本发明的另一控制器的一部分的示意性描述。
在图中，对相同的部件给定相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的包括两个交织PFC转换器的升压转换器10的示意性描述。升压转换器10将AC输入电压转换成DC输出电压。升压转换器10的两个线N（中性线）和L（定相线）被连接到AC输入源1。作为输入，升压转换器10包括输入级2，其包括整流器和例如EMI（电磁干扰）滤波器。该整流器例如是桥式整流器，诸如全桥二极管整流器，或者在输入级2的输出处提供DC电压的任何其他适当整流器。输入级2后面是两个交织升压级10.1、10.2，两个交织升压级10.1、10.2被并联地连接且其相位移位约180度。
每个升压级10.1、10.2包括被连接的输入级2的升压电感3.1、3.2，其后面是升压二极管4.1、4.2，其中，每个升压二极管4.1、4.2的阳极被连接到升压电感3.1、3.2。升压二极管4.1、4.2的阴极被连接到输出电容器5的第一端子，并且两个升压二极管4.1、4.2的阳极还经由开关6.1、6.2被连接到输出电容器5的第二端子。跨负载电阻器7所指示的输出电容器5提供升压转换器的输出总线电压Vbus。输出电容器5的第二端子被连接回到输入级2。具有两个交织升压级的此类布置的优点是输出总线电压Vbus的涟波的减小，所述两个交织升压级具有约180°的相移。
升压转换器10还包括用于生成用于控制开关6.1、6.2的控制信号的脉宽调制器PWM 8。控制器9确定占空比d1、d2并将它们提供给PWM 8，PWM 8继而相应地生成用于开关6.1、6.2的控制信号。为了确定占空比d1、d2，控制器接收若干输入信号，诸如输入级2与升压电感3.1、3.2之间的线L的输入电压VIN_L和线N的VIN_N、通过开关6.1、6.2的输出电流Isample1、Isample2以及跨输出电容器5的输出总线电压Vbus。控制器9还接收升压转换器的输出电压Vbus应遵循的参考电压Vref。
控制器9被示为仅仅是用于提供用于PWM 8的占空比d1、d2的控制器。然而应理解的是升压转换器可以包括用于控制转换器的其他功能的另外的控制器，例如以提供参考电压Vref。虽然图1示出了二相升压转换器，但本发明还可应用于单相转换器或也具有超过两个相的多相转换器，这对于本领域的技术人员而言是非常清楚的。
图2示出了根据本发明的控制器9的示意性描述，其可以例如在如图1中所示的升压转换器中使用，其中，例如将输入信号|VIN|理解成包括（已整流）输入电压VIN_L和VIN_N两者，其中，应将输出占空比d理解成包括占空比d1、d2两者，并且其中，应将输出电流Isample理解成包括输出电流Isample1、Isample2两者。
控制器9包括电压控制器12、电流控制器13和预测单元14。电压控制器12接收参考电压Vref和输出总线电压Vbus并将其输出电压提供给乘法器15。乘法器15还接收输入电压|VIN|并在其输出处提供用于电流控制器的参考电流iref。但是通过借助于加法器16将修正信号icor与其相加来修正此参考电流iref。由预测单元14基于作为输入信号接收的输入电压|VIN|、参考电压Vref、反馈总线电压Vbus和反馈占空比d来确定修正信号icor。应注意的是反馈总线电压Vbus或参考电压Vref一般而言足以用于修正信号icor的确定，但是预测单元14可考虑两个电压。
加法器16的输出是实际上提供给电流控制器13的已修正参考电流iref'。基于此已修正参考电流iref'和采样输出电流Isample，电流控制器13确定下一占空比d。
应注意的是图1和2中所示的某些部件（诸如，例如PWM 8、乘法器15、加法器16或预测单元14）可被提供两次，而诸如例如电压控制器12之类的其他部件仅被提供一次。然而，可将更多或更少的部件提供两次。还可能的是可使用单个DSP来实现所有所需部件。如果使用快速DSP，情况更有可能如此。另一方面，为了实现所需部件，可提供第二DSP或者甚至另外的DSP。
如前所述，针对混合传导模式将占空比确定为用于连续和不连续传导模式的各自最小值。由于输入电压被整流，所以我们不得不仅看其半周期，即输入电压的从0°至180°的范围。
图3a示出了根据如前所述的等式I和II的针对从0°至180°的相角21的用于CCM和DCM的（理想）占空比20的确定。线23表示用于CCM的占空比且线24表示用于DCM的占空比，其中，该占空比可以采取在0和1之间的值。
图3b示出了根据本发明的用于混合传导模式的占空比20的确定（或使用另一单词：预测）。实线25示出了如何针对0°与180°之间的每个相角确定用于MCM的占空比。实线25由三个部分组成，其中，第一部分25.1（从0°至约37°的相角）和第三部分25.3（从约143°至180°的相角）对应于DCM线24的相应部分，并且其中，第二部分25.2（从约37°至约143°的相角）对应于CCM线23的相应部分。
然而，应提及的是DCM中的占空比的生成取决于负载，并且因此线24可根据负载而改变。根据负载，从电源1吸取的电流键将是不同的，即其对于较高的负载而言将较高。如果在以上等式II中，用输入电流与输入电压V的比IIN/VIN来替换电导Ge，则可以看到占空比对输入电流IIN的相关性。
图4示出了根据本发明的控制器31的另一实施例的更详细描述。电压控制器32不直接地接收参考电压Vref，而是接收由转换速率单元37确定的其转换速率。此外，电压控制器32接收升压或输出总线电压Vbus的样本。乘法器35将电压控制器输出35.1、已整流输入电压|VIN|和根据平均输入电压|VIN|确定的输入电压前馈信号35.2相乘，其中确定输入电压前馈信号35.2由EMA滤波器39.1和输入电压前馈39.2完成。预测单元34包括：占空比计算单元34.1，其确定预测的占空比dpre；逆变单元34.2，其通过向预测的占空比dpre应用电流控制器33的逆函数来确定修正信号icor；以及样本修正单元34.3，其确定样本修正信号38以在电流控制器33的输入处修改电流样本。借助于加法器36将修正信号icor与由乘法器35提供的参考电流iref相加。
占空比计算单元34.1确定表示转换器预期将在其中工作的预测的模式Mpre的另外的信号。该预测的模式Mpre被提供给样本修正单元34.3，样本修正单元34.3确定取决于它的修正信号icor。特别地，样本修正单元34.3使用预测的模式Mpre来判定转换器是在DCM还是CCM中工作和相应地是否应根据上述等式来修正该修正信号icor。
除参考电压Vref、输出总线电压Vbus和占空比d之外，计算单元34.1进一步基于输入电压|VIN|来确定预测的占空比dpre。并且，样本修正34.3进一步接收预测的占空比dpre以及输出电流的样本isample（即通过转换器的开关的电流），以便确定样本修正信号38。样本修正34.3还可进一步考虑由短划线示出的电流控制器33所提供的占空比d。
电压控制器32以及电流控制器33例如是具有两个极点和两个零点的控制器。
图5示出了根据本发明的另外的控制器41的相关部分。乘法器45如前所述地将电压控制器输出45.1、输入电压|VIN|和输入电压前馈信号45.2相乘。乘法器输出被提供给电流确定单元47，电流确定单元47根据乘法器输出来确定参考电流iref，使得参考电流在零点与最大允许电流imax之间。预测单元44确定修正信号icor以及样本修正信号48，其中，借助于第一加法器46.1将修正信号icor与参考电流iref相加，导致已修正参考电流iref'。借助于第二加法器46.2，将样本修正信号48与此已修正参考电流iref'相加以提供用于电流控制器43的输入参考电流iref"。
如前所述，还可在其他转换器拓扑中应用本发明。下表示出了用于由相应预测单元实现的不同转换器拓扑的占空比的确定。
转换器拓扑 CCM: = DCM: =
降压
升压
降压-升压
如可以看到的，在每种情况下仅仅基于输入电压VIN和输出电压VOUT来确定用于CCM的占空比。为了确定用于DCM的占空比，确定的平方根，并将的平方根与另一平方根相乘以便确定需要哪一些另外的输入值，诸如输入电流IIN、输出电流IOUT、开关时段T、升压扼流圈的电感L和通过升压扼流圈的电流IL。
针对升压转换器，用以确定的公式对应于等式II，其中，用输入电导Ge来替换项IIN/VIN。
应注意的是预测的占空比再次地是分别地用于CCM和DCM的两个占空比中的最小值。
对于这些拓扑而言，CCM中的用于样本修正的修正因数kcor始终是1。针对DCM，将如下确定kcor：
降压和PFC降压：kcor = d * VIN / VOUT
根据本发明的控制器以及升压转换器的功率级（381H的标称电感值、208Vac输入电压和400V升压电压的+/-10% 公差）的建模和仿真已示出了误差控制的快速响应。在负载阶跃期间，THD——在短暂瞬态之后——永久地保持在小于5%的低水平。
总而言之，应注意的是给出了使用具有样本修正的误差受控占空比预测的改进的功率因数修正。由于未使用硬件特定参数，其应用是既容易又灵活的。
附图标记列表
1 AC输入源
2 输入级
3.1, 3.2 升压电感
4.1, 4.2 升压二极管
N, L 线
d, d1, d2 占空比
I<sub>sample1</sub>, I<sub>sample2</sub> 输出电流
V<sub>bus</sub> 输出总线电压
V<sub>ref</sub> 参考电压
V<sub>IN</sub>, V<sub>IN_L</sub>, V<sub>IN_N</sub> 输入电压
i<sub>ref</sub>, i<sub>ref</sub>', i<sub>ref</sub>'' 参考电流
i<sub>cor</sub> 修正信号
d<sub>pre</sub> 预测的占空比
i<sub>cor</sub> 修正信号
5 输出电容器
6.1, 6.2 开关
7 负载电阻器
8 PWM
9, 31, 41 控制器
10
10.1, 10.2
12, 32 电压控制器
13, 33, 43 电流控制器
14, 34, 44 预测单元
15, 35, 45 乘法器
16, 36, 46.1, 46.2 加法器
20 占空比
21 相角
23, 24, 25, 线
25.1, 25.2, 25.3 部分
34.1 计算单元
34.2 逆变单元
34.3 样本修正单元
35.1, 45.1 电压控制器输出
35.2, 45.2 输入电压前馈信号
38, 48 样本修正信号
39.1 EMA滤波器
39.2 输入电压前馈
47 电流确定单元

Claims (17)

1.一种用于确定用于开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的控制器，包括：
a）电压控制器，适合于基于来自所述开关功率转换设备的功率输出的电压反馈信号和参考电压中的至少一个来确定电压控制器输出；以及
b）电流控制器，适合于确定所述占空比，
其特征在于所述控制器包括
c）预测单元，适合于基于所述占空比来确定修正信号，其中，所述预测单元适合于确定所述修正信号，使得DCM/CCM混合操作模式中的占空比被选择为DCM操作模式中的占空比和CCM操作模式中的占空比中的最小值；以及
d）加法器，适合于基于所述修正信号和所述电压控制器输出来确定加法器输出，
e）其中，所述电流控制器适合于基于所述加法器输出和来自所述功率输出的电流反馈信号来确定所述占空比。
2.根据权利要求1所述的控制器，包括适合于基于所述电压控制器输出和所述开关功率转换设备的输入电压来确定乘法器输出的乘法器，其中，所述加法器适合于通过将所述修正信号与所述乘法器输出相加来确定所述加法器输出。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，适合于确定AC/DC升压转换器的占空比。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，其中，所述预测单元适合于基于所述占空比及基于所述参考电压和所述电压反馈信号中的至少一个来确定所述修正信号。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，所述预测单元适合于进一步基于所述开关功率转换设备的输入电压来确定所述修正信号。
6.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，还包括样本修正，其适合于基于由所述电流控制器确定的占空比和基于通过所述开关功率转换设备的输出扼流圈的电流来确定所述电流反馈信号。
7.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述样本修正适合于基于由所述电流控制器确定的占空比和基于通过所述开关功率转换设备的每个输出扼流圈的电流来确定所述电流反馈信号。
8.根据权利要求2所述的控制器，其中，将所述控制器实现为数字控制器，并且其中，将所述电压控制器、所述乘法器、所述电流控制器和所述预测单元实现为软件。
9.根据权利要求6所述的控制器，将所述样本修正实现为软件。
10.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，其中，所述电压控制器适合于基于所述参考电压的转换速率来确定所述电压控制器输出。
11.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，其中，所述电压反馈信号包括所述功率输出的电压样本，并且其中，所述电流反馈信号包括所述功率输出的电流样本。
12.根据权利要求2所述的控制器，还包括适合于确定输入电压前馈信号的输入电压前馈，其中，所述乘法器适合于基于输入电压和所述输入电压前馈信号来确定所述乘法器输出。
13.根据权利要求12所述的控制器，还包括平均单元，其适合于根据所述输入电压来确定平均输入电压信号，并且其中，所述输入电压前馈适合于基于所述平均输入电压信号来确定所述输入电压前馈信号。
14.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，适合于确定用于所述开关功率转换设备的每个相位的占空比。
15.根据权利要求1或2中的任一项所述的控制器，包括用于根据功率来启用或禁用所述脉宽调制器的过压保护。
16.一种开关功率转换设备，包括根据权利要求1至15中的任一项所述的控制器。
17.一种用于确定用于开关功率转换设备的脉宽调制器的占空比的方法，包括
a）基于来自所述开关功率转换设备的功率输出的电压反馈信号和参考电压中的至少一个来确定电压控制器输出；
其特征在于所述方法还包括
b）基于所述占空比来确定修正信号，其中，预测单元适合于确定所述修正信号，使得DCM/CCM混合操作模式中的占空比被选择为DCM操作模式中的占空比和CCM操作模式中的占空比中的最小值；
c）将所述修正信号与所述电压控制器输出经过加法器相加；以及
d）利用电流控制器基于所述加法器的输出和来自所述功率输出的电流反馈信号来确定所述占空比。
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