DE69400323T2

DE69400323T2 - Mehrschleifensteuereinrichtung und Verfahren für Leistungsschaltwandler mit Bandpass Stromsteuerung

Info

Publication number: DE69400323T2
Application number: DE69400323T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey John Boylan; Allen Frank Rozman
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH06261539A; EP0614266A1; US5490055A; DE69400323D1; EP0614266B1; JP2735480B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen getakteten Leitungswandler bzw. einen Leistungswandler mit Schaltbetrieb.
Bei getakteten Leistungswandlern werden mehrschleifige Rückkopplungsanordnungen, die sowohl eine Strom- als auch eine Spannungssteuerung umfassen, verwendet, um im Vergleich zu entsprechenden Leistungswandlern mit einer einschleifigen Rückkopplungssteuerung ein besseres Betriebsverhalten zu erreichen. Nicht alle Änderungen des Betriebsverhaltens stellen jedoch Verbesserungen dar. Die Ausgangsimpedanz des geschlossenen Regelkreises eines getakteten Leistungswandlers mit einer mehrschleifigen Rückkopplungssteuerung ist normalerweise größer als die eines Leistungswandlers mit einer einschleifigen Rückkopplungssteuerung. Die Zunahme der Ausgangsimpedanz ist hauptsächlich auf das Vorhandensein einer Stromrückkopplungsschleife zurückzuführen. Bei niedrigen Frequenzen, die unterhalb der Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters des Leistungswandlers liegen, führt die Stromschleife zu einer weiteren Zunahme der Ausgangsimpedanz und bewirkt zudem keine merkliche Verbesserung in der Wirksamkeit des geschlossenen Regelkreises des Leistungswandlers. Die Ausgangsimpedanz des Leistungswandlers bei niedrigen Frequenzen wird unterhalb der Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters deutlich erhöht. Zusätzlich hierzu kann eine zu starke Stromschleifenverstärkung bei Frequenzen, die etwa der halben Schaltfrequenz entspricht, Instabilitäten in der Rückkopplungsschleife bewirken. Da eine Spannungsquelle (d.h. ein spannungsgeregelter getakteter Leistungswandler) eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen sollte, ist es wünschenswert, die durch die Stromrückkopplungsschleife bewirkte hohe Ausgangsimpedanz zu verringern.
Die US-A-5,177,676 offenbart eine Spannungsquelle (einen Wechselrichter oder Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter) zur Umwandlung von Wechselstrom/Gleichstrom in eine Ausgangswechselspannung, die eine an einen Spannungsverstärker angeschlossene Stromrückkopplungsschleife umfaßt. Sie wird zusammen mit einer Spannungsrückkopplung verwendet, um die Ausgangsimpedanz der spannungserzeugenden Einrichtung der Spannungsquelle zu steuern.
Erfindungsgemäß wird ein getakteter Gleichstrom-zu- Gleichstrom-Leistungswandler gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Bei einer mehrschleifigen Rückkopplungsanordnung ist die Frequenzantwort der Stromrückkopplungsschleife bei niedrigen Frequenzen so gestaltet, daß die Schleifenverstärkung unterhalb der Resonanzfrequenz der Ausgangsfilters zu vernachlässigen ist, so daß der Leistungskonverter eine geringere Ausgangs impedanz aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen getakteten Leistungswandlers;
Fig. 2 Spannungsverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Rückkopplungsschleife;
Fig. 4 Schwingungsformen zur Erläuterung einer anderen Betriebsart der in Fig. 1 dargestellten Schaltung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen getakteten Leistungswandlers;
Fig. 6 Spannungsverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 5 dargestellten Schaltung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen getakteten Leistungswandlers; und
Fig. 8 Spannungsverläufe, die zur Erläuterung der in Fig. 7 dargestellten Schaltung verwendet werden.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt einen geschalteten, d.h. getakteten Leistungswandler oder Leistungswandler mit Schaltbetrieb des Buck-Typs mit einem Eingangsanschluß 101, an dem die Spannung einer mit ihm verbundenen Gleichspannungsquelle 102 anliegt. Der Eingang ist uber einen FET-Leistungsschalter 103 und die Stromabfühlwicklung 104 eines Stromabfühltransformators 106 mit der Induktionsspule 105 eines Ausgangsfilters verbunden. Die Induktionsspule 105 ist mit einer Sperrdiode 107 verbunden, um die Induktionsspule während der nichtleitenden Intervalle des Leistungsschalters 103 mit Strom versorgen zu können. Ein Filterkondensator 108 ist mit einer Ausgangsleitung 110 verbunden. Die Induktionsspule 105 und der Kondensator 108 bilden ein Tiefpaßfilter, das eine charakteristische Resonanzfrequenz aufweist. Mit der Ausgangsleitung 110 ist ein mit Energie zu versorgender Lastwiderstand 120 verbunden.
Mit der Ausgangsleitung 110 ist auch ein die Widerstände 111 und 112 umfassender Spannungsteiler verbunden. Durch die Leitung 113 wird eine Spannung abgegriffen, die proportional zu der Ausgangsspannung ist, und an den invertierenden Eingang eines Fehlerverstärkers 115 angelegt. Der Fehlerverstärker 15 umfaßt einen Rückkopplungskondensator 118. Er wirkt als Integrationsverstärker. An den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 115 ist eine Referenzspannung 116 angelegt. Das Spannungsfehler- Ausgangssignal des Verstärkers 115 in der Leitung 117 entspricht dem Integral der Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang. Der invertierende Eingang ist über einen integrierten Kondensator 118 und ein Widerstand 119 mit der Ausgangsleitung 117 verbunden, so daß zu der Eingangsdifferenz ein Integralwert dazu addiert wird.
Das Fehlerspannungssignal auf Leitung 117 liegt an dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 121 an. An dem invertierenden Eingang des Verstärkers 121 eine Spannung an, die repräsentativ ist für den durch die Wicklung 104 abgefühlten Strom. Die Wicklung 104 ist über den Kern des Transformators 106 magnetisch mit einer Sekundärwicklung 124 gekoppelt. Die Spannung der Wicklung 124 wird durch eine Diode 125 gleichgerichtet. Die Spannung fällt über einen Widerstand 128 ab. Die an dem Widerstand 128 abfallende Spannung liegt über eine Leitung 127 an einem Kondensator 131 an. Der Kondensator 131 ist umgekehrt wiederum über einen Widerstand 135 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 121 verbunden.
Der Kondensator 131 differenziert die von dem Widerstand 128 gelieferte Spannung. Er bildet zusammen mit dem Verstärker 121 eine klassische Differenzier-Verstärker-Anordnung. Durch einen Kondensator 132 und einen Widerstand 133, die in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers parallelgeschaltet sind, ist die Mittenfrequenzantwort des Verstärkers festgelegt. Durch die Hinzufügung des Widerstands 135 und des Kondensators 132 erhält man die erforderlichen Polwerte für die gewünschte Frequenzantwort der Stromrückkopplungsschleife.
Der Ausgang des Verstärkers 121 ist über eine Leitung 141 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Pulsbreitenmodulationsverstärkers 142 (pulse width modulation amplifier = PWM) verbunden. Mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 142 ist der Ausgang eines periodischen Sägezahngenerators 143 verbunden. Der Ausgang des PWM-Verstärkers 142 ist über eine Leitung 144 mit der Gate-Elektrode oder der Steuerelektrode 153 des FET- Leistungsschalters 103 verbunden.
Die periodische Stromleitung des Leistungsschalters 103 führt des Betriebs zu einem diskontinuierlichen Stromfluß (so wie er durch den Spannungsverlauf 201 in Fig. 1 dargestellt ist) von der Spannungsquelle 102 zu der Induktionsspule 105 des Filters. Die Stromimpulse werden durch das Tiefpaßausgangsfilter, das aus der Filterinduktionsspule 105 und dem Filterkondensator 108 besteht, im wesentlichen in eine Wechselspannung umgewandelt, die an den Lastwiderstand 120 anliegt. Diese Ausgangsspannung wird von dem die Widerstände 111 und 112 umfassenden Spannungsteiler abgefühlt, wobei eine zu der Ausgangsspannung proportionale Spannung an dem zentralen Knoten abgegriffen wird und über die Leitung 113 an dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers 115 anliegt. Der Operationsverstärker 115 ist mit dem Rückkopplungskondensator 118 verbunden, mit der er eine Integriereinrichtung bildet. Der Integrierverstärker 115 spricht auf die über die Leitung 113 anliegende proportionale Spannung und auf eine an seinem nichtinvertierenden Eingang anliegende Referenzspannung an, und erzeugt auf seiner Ausgangsleitung 117 eine Fehlerspannung (das Spannungsniveau 211 in Fig. 2). Die Fehlerspannung ist proportional zu dem Fehler zwischen der auf der Ausgangsleitung 110 anliegenden Ausgangsspannung und einer durch die Referenzspannungsquelle 116 bestimmten Spannung. Diese Fehlerspannung liegt an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 121 an.
Durch die Diode 125 wird ein Spannungssignal gleichgerichtet, das proportional zu dem Strom des Leistungsschalters ist. Die Spannung 201 (siehe Fig. 2) liegt an dem Eingangskondensator 131 an, der mit dem invertierten Eingang des Verstärkers 121 verbunden ist. Der Eingangskondensator 131 und der Eingangswiderstsand 135 werden zusammen mit dem Rückkopplungskondensator 132 und dem zu ihm parallel geschalteten Rückkopplungswiderstand 133 so ausgewählt, daß der Verstärker 121 in einem Frequenzband- oder Hochpaßmodus betrieben wird, bei dem im wesentlichen die niederfrequenten Signale unterhalb der Resonanzfrequenz des Ausgangsfilter unterdrückt werden.
Bei dem Ausgangssignal des Verstärkers 121 (der Spannungsverlauf 221 in Fig. 2) handelt es sich um eine maßstäblich veränderte invertierte Version des Spannungsverlaufs 201, die durch die Fehlerspannung (der Spannungsverlauf 211 in Fig. 2) verschoben ist, und an dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 142 anliegt. Durch ein an dem invertierenden Eingang anliegendes Sägezahnsignal (der Spannungsverlauf 231 in Fig. 2) und den Ausgangspegel des Verstärkers 121 ist der Schnittpunkt 241 festgelegt, an dem der Leistungsschalter 103 abschaltet. Die Schaltfrequenz des Leistungsschalters 103 ist durch die Frequenz des Sägezahngenerators bestimmt. Die sich ergebenden leitenden Intervalle des Leistungsschalters 103 sind anhand des Spannungsverlaufs 251 in Fig. 2 dargestellt.
Die niederfrequente Ausgangsimpedanz der mehrschleifigen Rückkopplungssteuerung wird durch eine Begrenzung der Ansprechmöglichkeit der Stromschleife auf niederfrequente Stromänderungen auf dem gewünschten Wert gehalten. Wie anhand des Diagramms in Fig. 3 zu erkennen ist, ist die Ausgangsimpedanz des geschlossenen Regelkreises bei niedrigen Frequenzen gering, während sie oberhalb der Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters im wesentlichen von der Frequenz unabhängig ist.
Die Schwingungsformen in Fig. 4 zeigen ein anderes Betriebsverhalten der Schaltung gemäß Fig. 1. Bei dieser speziellen Betriebsart liegt die Frequenz des zweiten Pols bei einer sehr viel geringeren Frequenz als bei dem durch die in Fig. 2 dargestellten Schwingungsformen festgelegten zweiten Pol. Die Frequenz, bei der der zweite Pol auftritt, ist wesentlich geringer als die Schaltfrequenz des Konverters, wobei der wahrscheinlichste Wert bei der halben Schaltfrequenz liegt. Dies führt zu einer merklichen Veränderung der Schwingungsform am Ausgang des Differentialverstärkers 121. Diese Schwingungsform ist anhand des Spannungsverlaufs 421 in Fig. 4 dargestellt. Diese Anordnung ist für Anwendungen geeignet, bei denen eine stärkere Dämpfung des hochfrequenten Signals erforderlich ist. Die Frequenz des zweiten Pols der Rückkopplungsschleife läßt sich durch eine entsprechende Auswahl des Rückkopplungswiderstandes 133 und des Rückkopplungskondensators 132 in der Rückkopplungsstrecke des Verstärkers 121 einstellen.
Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung einer anderen Rückkopplungsanordnung. Die Ausgangsleitung des Stromabfühltransformators 106 umfaßt einen Widerstand 433 und einen Kondensator 432, die in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand 433 und der Kondensator 432 sind parallel zu dem Widerstand 128 geschaltet. Diese Reihenschaltung aus dem Widerstand 433 und dem Kondensator 432 wird als Ersatz für den Rückkopplungskondensator des Verstärkers 121 zur Festlegung des zweiten Pols der Rückkopplungsanordnung verwendet. Die sich ergebenden Schwingungsformen sind in Fig. 6 dargestellt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 121 ist anhand der Schwingungsform 621 dargestellt. Diese spezielle Anordnung ist weniger empfindlich gegenüber einem Rauschen als die Schaltung gemäß Fig. 1.
Eine andere Ausführungsform der Rückkopplungsanordnung ist anhand der Schaltung in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird die rampenförmig verlaufende Spannung des abgetasteten Stroms unmittelbar zu der am Eingang der PWM- Schaltung 142 anliegenden Sägezahnspannung hinzu addiert. Die Frequenz der zwei bestimmenden Pole in der Rückkopplungsschleife ist durch die Kondensatoren 432 und 431 festgelegt. Das sich ergebende Sägezahnsignal ist anhand des Spannungsverlaufs 821 in Fig. 8 dargestellt.
Obgleich verschiedene Ausführungsformen der Rückkopplungsanordnung dargestellt wurden, ist es offensichtlich, daß sich für Fachleute auf diesem Gebiet auch noch andere Ausführungsformen ergeben.

Claims

1. Geschalteter Gleichstrom- zu-Gleichstrom-Leistungwandler umfassend einen Eingang, einen Ausgang mit einem Ausgangsfilter (105, 108), einen Leistungsschalter (103) zum Steuern des Stromflusses zwischen dem Eingang und dem Ausgang und eine mehrschleifige Rückkopplungssteuerung zum Steuern des Leistungsschalters des geschalteten Gleichstrom-zu- Gleichstrom-Leistungswandlers, wobei der Wandler umfaßt: Spannungsabfühlschaltungen (111, 112), die zum Abfühlen einer Spannung des Ausgangs angeschlossen sind, Stromabfühlschaltungen (106), die zum Abfühlen des durch den Leistungsschalter gesteuerten Stromflusses und zum Erzeugen einer Spannung daraus angeschlossen sind, einem ersten Verstärker (115), der an die Spannungsabfühlschaltungen angeschlossen ist, um eine Spannung der Spannungsabfühlschaltungen mit einer Bezugsspannung (116) zu vergleichen und eine Fehlerspannung zu erzeugen, welche den Unterschied zwischen der Spannung der Spannungsabfühlschaltung und der Bezugsspannung darstellt,

einem zweiten Verstärker (121), der an die Stromabfühlschaltungen zum Addieren einer durch die Stromabfühlschaltungen erzeugten Spannung zur Fehlerspannung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärker Steuerbestandteile (131, 135) zum Beschränken seiner Antwort auf Frequenzänderungen geringer Ströme umfaßt, einschließlich einer frequenzformenden Schaltung (131, 135) zum Dämpfen von Stromschleifensignalen zwischen einer Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters (105, 108) und durch eine Einrichtung, die in Ansprechen auf die mehrschleifige Rückkopplungssteuerung ein leitendes Intervall des Leistungsschalters (142, 143) steuert.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei welchem die frequenzformende Schaltung eine erste Kapazitanz-Reaktanz (131) und einen Widerstand (135) in Serie geschaltet umfaßt und die Serienschaltung an einem Eingang zum zweiten Verstärker angeschlossen ist, um die niederfrequente Antwort des zweiten Verstärkers zu beschränken.

3. Wandler nach Anspruch 2, bei welchem die frequenzformende Schaltung eine zweite Kapazitanz-Reaktanz (132) und einen zweiten Widerstand (133) parallelgeschaltet als Rückkopplungsschaltung für den zweiten Verstärker und zur weiteren Formung der Antwort des zweiten Verstärkers und zur Steuerung einer Durchlaßbandverstärkung umfaßt.