隔离式功率转换器及其控制方法技术

本公开涉及一种隔离式功率转换器及其控制方法。所述隔离式功率转换器包括控制器和通过变压器耦接至次级侧整流装置的初级侧开关装置。响应于瞬变负载状况，该控制器以具有正半周期和负半周期的初始切换周期来切换初级侧开关装置，以在正半周期和负半周期期间跨变压器传输能量。初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间。控制器还能够操作成在瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间。

Isolated power converter and its control method

The present disclosure relates to an isolated power converter and a control method thereof. The isolated power converter comprises a controller and a primary side switching device coupled to a secondary side rectifier through a transformer. In response to the transient load condition, the controller switches the primary side switch with a positive half cycle and a negative half cycle of the initial switching period to transmit energy across the transformer during a positive half cycle and a negative half cycle. Both the positive half cycle and the negative half cycle of the initial switching period have the same initial duration. The controller can also be operated to symmetrically reduce the duration of the positive and negative half cycles of at least one subsequent switching period during transient load conditions.

【技术实现步骤摘要】
隔离式功率转换器及其控制方法
本申请涉及隔离式功率转换器，并且具体地涉及在瞬变负载状况期间对隔离式功率转换器的控制。
技术介绍
例如半桥(HB)或全桥(FB)等隔离式桥拓扑可以与不同的整流器配置配对。整流器配置的选择取决于设计的要求，包括输出电压和电流要求。倍流整流器使用与两个电感器耦接的单个次级绕组，同时保持全波整流器的等效电压应力。每个电感器在切换周期的每正周期或负周期被激励一次，因此需要对称的脉冲来平衡倍增器的两个分支中的电流。因此，倍流整流器通常不用于具有非常动态的负载状况(例如CPU(中央处理单元)应用)的供电系统。而且，为了获得高效率，常规上使用通常具有较低饱和限度的高值电感器，使得(动态)负载瞬变期间的电流不平衡可能导致电感器饱和。倍流整流器在具有有限负载活动的高功率应用中是有利的，使得快速动态响应不是主要关注点。在这样的系统中，额外的磁性部件从区域和成本的角度来看是合理的。此外，在偶发的负载瞬变下，平衡电感器电流不是考虑因素。然而，当在较低功率应用(例如为CPU供电)中使用时，优选在平衡电感器电流的同时处理负载瞬变，以避免电感器中的一个饱和并且同时实现更快的瞬变响应。在瞬变负载状况期间保持电流平衡的一种方法是在每个半周期期间锁定初级侧的占空比。然而，由于反应时间长达一个切换周期，所以瞬变响应变得迟钝。因此，需要在瞬变负载状况期间用于隔离式功率转换器的改进的控制技术。
技术实现思路
根据控制隔离式功率转换器的方法的实施方式，所述方法包括：响应于瞬变负载状况，以具有正半周期和负半周期的初始切换周期切换隔离式功率转换器的初级侧开关装置，以在正半周期和负半周期期间跨隔离式功率转换器的变压器传输能量，所述初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间；以及在瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间。根据隔离式功率转换器的实施方式，隔离式功率转换器包括控制器和通过变压器耦接至次级侧整流装置的初级侧开关装置。控制器能够操作成：响应于瞬变负载状况，以具有正半周期和负半周期的初始切换周期切换初级侧开关装置，以在正半周期和负半周期期间跨变压器传输能量，所述初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间；以及在瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间。本领域的技术人员在阅读以下详细描述时以及在查看附图时将认识到另外的特征和优点。附图说明附图的要素不一定相对于彼此成比例。相似的附图标记表示相应的类似部分。除非各种示出的实施方式的特征彼此排斥，否则它们可以被组合。实施方式在附图中示出并且在随后的描述中详述。图1示出了倍流整流器的示意图。图2示出了在非瞬变和瞬变两种模式下与倍流整流器转换器的操作相关联的波形。图3示出了瞬变模式的实施方式的流程图。图4示出了瞬变模式的另一实施方式的流程图。图5示出了具有全桥初级侧配置的倍流整流器的示意图。图6示出了具有中心抽头整流器的全桥转换器的示意图。图7示出了在非瞬变和瞬变两种模式下与全桥转换器的操作相关联的波形。具体实施方式本文描述的实施方式提供了在瞬变负载状况期间用于隔离式功率转换器(例如倍流整流器和全波整流器)的控制技术。本文描述的技术在瞬变负载状况期间平衡倍流整流器中的电流，使得倍流整流器可以用于具有频繁负载瞬变的应用(例如为CPU供电)中。本文描述的技术还避免了隔离式DC-DC电压转换器例如全桥转换器中的变压器铁芯饱和。在负载电流发生瞬态或近似瞬态变化的瞬变负载状况期间，隔离式功率转换器的初级侧开关装置以具有正半周期和负半周期的初始切换周期周期被切换，以在正半周期和负半周期期间跨隔离式功率转换器的变压器传输能量。初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间。初始持续时间可以被选择为根据瞬变负载状况的量级而变化。在一些实施方式中，将不同的初始持续时间分配给不同类型的瞬变负载状况。这样，可以基于瞬变负载状况的类型来优化正半周期和负半周期的初始持续时间。然后，在瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期内的正半周期和负半周期的持续时间，以平衡倍流整流器中的电流或避免全桥转换器中的变压器铁芯饱和。非线性控制可以使用次级侧的电流或电荷信息来调整初级侧开关装置的切换顺序，以在同时限制电流不平衡的同时尽可能快地处理负载瞬变。在全桥转换器的情况下，避免变压器铁芯饱和。在以下详细描述和相关联附图中提供了隔离式功率转换器和用于隔离式功率转换器的控制方法的各种实施方式。所描述的实施方式出于解释的目的提供了特定的示例，而不旨在进行限制。除了上下文不允许的情况之外，来自示例实施方式的特征和方面可以被组合或重新布置。图1示出了可以在其中实施本文描述的控制技术的隔离式功率转换器100的实施方式。隔离式功率转换器100具有：初级侧，其包括半桥配置下的初级侧开关装置Q1-Q2；次级侧，其包括次级侧整流装置SR1-SR2；变压器102，其将初级侧开关装置Q1-Q2耦接至次级侧整流装置SR1-SR2；以及控制器104，其用于控制转换器100的操作。根据该实施方式，次级侧整流装置SR1-SR2被配置为具有耦接至变压器102的两个输出电感器绕组LO1,LO2的倍流整流器。本文描述的瞬变响应技术控制初级侧开关装置Q1-Q2的切换，并且间接地控制次级侧整流装置SR1-SR2，因为次级侧整流装置控制信号被生成为初级侧开关装置控制信号的函数。次级侧整流装置SR1-SR2在图1中被示出为晶体管开关装置，但是替代地可以被实现为没有同步整流(SR)控制信号的二极管。如果次级侧整流装置SR1-SR2被实现为晶体管开关装置，则次级侧整流装置SR1-SR2的控制跟随初级侧上的开关。在任一配置中，输入电源Vin向隔离式功率转换器100提供电力，并且转换器100向通常表示为电阻器RL的负载供应输出电力。输入电源Vin被提供给转换器100的初级侧，所述转换器100使用初级侧开关装置Q1-Q2将输入电源Vin耦合至变压器102。初级侧开关装置Q1-Q2中的每一个在驱动器级内具有相关联的驱动器。为便于说明没有示出驱动器级和相关的驱动器电路系统，并且可以使用任意标准的驱动器级/电路系统。在图1中，初级侧开关装置Q1-Q2被指定为半桥配置。在图1中将初级侧开关装置Q1-Q2示出为增强模式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是也可以使用其他开关类型。例如，在一些应用中可以优选结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或其他类型的功率晶体管。初级侧开关装置Q1-Q2可以集成在相同的半导体管芯上，可以分别设置在分离的管芯上，或者可以另外散布在多个半导体管芯上。相应的驱动电路系统(未示出)可以集成在与其相应的初级侧开关装置Q1-Q2相同的半导体管芯上，或者可以设置在分离的管芯上。变压器102具有匝数为N1的初级绕组P、匝数为N2的次级绕组S以及铁芯106。图1的变压器102还包括漏电感，所述漏电感不是单独的部件，而且模拟不包括在绕组P,S中的杂散电感。假定漏电感的影响不明显，比率N1/N2确定变压器102的整流电压Vrect与输入电压VAB的比率。接下来本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制隔离式功率转换器的方法，所述方法包括：响应于瞬变负载状况，以具有正半周期和负半周期的初始切换周期来切换所述隔离式功率转换器的初级侧开关装置，以在所述正半周期和所述负半周期期间跨所述隔离式功率转换器的变压器传输能量，所述初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间；以及在所述瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间。

【技术特征摘要】
2017.02.01 US 15/421,9311.一种控制隔离式功率转换器的方法，所述方法包括：响应于瞬变负载状况，以具有正半周期和负半周期的初始切换周期来切换所述隔离式功率转换器的初级侧开关装置，以在所述正半周期和所述负半周期期间跨所述隔离式功率转换器的变压器传输能量，所述初始切换周期的正半周期和负半周期具有相同的初始持续时间；以及在所述瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间包括：如果在后续切换周期期间由所述隔离式功率转换器输送的总电流预期在比两倍的所述初始持续时间小的时间段内达到峰值电流极限，则将所述后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间减小为针对所述正半周期和所述负半周期确定的相同的最小持续时间。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：当在所述瞬变负载状况期间由所述隔离式功率转换器输送的总电流增加时，保持每个后续切换周期的正半周期和负半周期的所述最小持续时间。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间包括：将每个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间对称地减小预定量，直到所述持续时间达到针对所述正半周期和所述负半周期确定的最小持续时间或者直到由所述隔离式功率转换器输送的总电流达到峰值电流极限。5.根据权利要求4所述的方法，其中，将每个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间对称地减小预定量，直到所述持续时间达到针对所述正半周期和所述负半周期确定的最小持续时间或者直到由所述隔离式功率转换器输送的总电流达到峰值电流极限包括：将每个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间对称地减半，直到所述持续时间达到针对所述正半周期和所述负半周期确定的最小持续时间或者直到由所述隔离式功率转换器输送的总电流达到所述峰值电流极限。6.根据权利要求4所述的方法，还包括：如果所述正半周期和所述负半周期的持续时间已经减小至所述最小持续时间但所述总电流尚未达到所述峰值电流极限，则将每个后续切换周期的正半周期和负半周期保持在所述最小持续时间，直到由所述隔离式功率转换器输送的总电流达到所述峰值电流极限。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述瞬变负载状况期间对称地减小至少一个后续切换周期的正半周期和负半周期的持续时间包括：将所述隔离式功率转换器的测量电压参数与和不同的切换周期持续时间相关联的存储值相比较；以及将所述正半周期和所述负半周期的持续时间减小为与最接近地匹配所述测量电压参数的存储值相关联的切换周期持续时间。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在达到所述变压器的峰值电流值时终止有效的半周期。9.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果在后续切换周期期间由所述隔离式功率转换器输送的总电流预期在比限定的持续时间小的时间段内达到峰值电流极限，则将在所述总电流预期达到所述峰值电流极限之前所剩余的时间均匀地分配给所述后续切换周期的正半周期和负半周期。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述正半周期和所述负半周期的初始持续时间根据所述瞬变负载状况的量级而变化。11.根据权利要求1所述的方法，其中，给不同类型的瞬变负载状况分配不同的初始持续时间。12.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述正半周期和所述负半周期的初始持续时间以避免变压器铁芯饱和。13.一种隔离式功率转换器，包括：初级侧开关装置，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿米尔·巴巴扎德，达里尔·奇尔哈特，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT