多级直流-直流转换器制造技术

本发明专利技术涉及一种多级ＤＣ－ＤＣ转换器，该多级ＤＣ－ＤＣ转换器利用在控制系统中的多环路以执行稳定的操作。该多级ＤＣ－ＤＣ转换器包括第一ＤＣ－ＤＣ转换器、作为所述的第一ＤＣ－ＤＣ转换器的后一级提供的第二ＤＣ－ＤＣ转换器和至少基于所说的第一ＤＣ－ＤＣ转换器的输出电压和所说的第二ＤＣ－ＤＣ转换器的输出电压控制通过所说的第一ＤＣ－ＤＣ转换器执行的开关操作的控制电路。由于控制系统以用于第二ＤＣ－ＤＣ转换器的输出电压的反馈的外部环路和用于第一ＤＣ－ＤＣ转换器的输出电压的反馈的内部环路形成，因此在整个控制系统的传递函数中的低频侧上的谐振频率移到比由单环路组成的控制系统的情况（甚至比以单环路输出电压反馈控制很难稳定的控制系统的情况）更高的频率上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及其中串联连接多个转换器的多级DC-DC转换器，具体地说，涉及通过输出电压的负反馈执行输出电压的控制的多级DC-DC转换器。
技术介绍
近年来，用于通信的DC-DC转换器具有较低的输出电压和较高的电流，因此，改善效率变得比以前更加重要。为此，通过串联连接两个转换器来提高效率的技术引起了人们的注意。这种DC-DC转换器称为两级DC-DC转换器。控制两级DC-DC转换器的公知方法包括通过使在转换器内的电感器和电容器的值和电容器的等效串联电阻值最佳实现操作的稳定性的方法(参见P.Alou等人；“Buck+Half Bridge(d＝50％)TopologyApplied to Very Low Voltage Power Converters”，IEEE AppliedPower Electronics Conference(APEC)2001)。在这种方法中，具体地说，第一级和第二级的电感器和电容器的谐振频率彼此分离并且放大等效串联电路的值以实现控制系统的稳定操作。然而，在将两级DC-DC转换器实际制造为产品时，因为形状和安装表面面积的限制，很难使用用于最佳控制的电感器和电容器。此外，因为输出脉动电压的标准，很难增加电容器的等效串联电阻值。此外，应用单级DC-DC转换器，存在使用多环路并应用两级DC-DC转换器实现控制系统的稳定操作的公知的方法，这种可用于实现控制系统的稳定操作的多环路方案存在许多未知面积。这一点与其中串联三个或更多个转换器的DC-DC转换器相同。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种多级DC-DC转换器，该多级DC-DC转换器在控制系统中使用多环路并且能够实现稳定的操作。此外，本专利技术的另一目的是提供一种结构简单的多级DC-DC转换器，即使在以单环输出电压反馈控制很难实现控制系统的稳定的情况下这种多级DC-DC转换器也能够通过多环路控制系统实现稳定性。为解决前述的问题，通过状态空间平均分析多级DC-DC转换器，推导状态方程由此可以基于多环路执行稳定的控制。具体地说，作为本专利技术的一方面的多级DC-DC转换器是一种包括如下特征的多级DC-DC转换器通过PWM控制能够调节中间电压的作为第一级的非隔离DC-DC转换器、作为第二级的隔离DC-DC转换器和通过第二级转换器的输出电压的负反馈控制第一级的开关的占空度的PWM控制器，其特征在于将第一级转换器的中间电压作为负反馈提供给PWM控制器。这里，在本专利技术的优选实施例中，将中间电压作为负反馈通过运算放大器提供给PWM控制器。应用这种结构，通过在第一级转换器中的PWM控制器的开关将输入电压转换为脉冲，此外，基于开关的占空度调节中间电压，并且在第二级转换器中以变压器绕组比执行电压转换，由此产生平均输出电压。在这种情况下，不仅通过外部环路将第二级转换器的输出电压作为负反馈提供给PWM控制器，而且还通过内部环路将第一级转换器的中间电压作为负反馈提供。因此，与单个的外部环路的情况相比，在整个控制系统传递函数中在低频侧上的谐振频率平移到更高的频率，因此在相位与零度交叉的频率也变得更高。因此，增加增益余量，稳定了控制系统的操作。此外，作为本专利技术的另一方面的多级DC-DC转换器是一种包括如下特征的两级DC-DC转换器通过PWM控制能够调节中间电压的作为第一级的非隔离DC-DC转换器、作为第二级的隔离DC-DC转换器和通过第二级转换器的输出电压的负反馈控制第一级的开关的占空度的PWM控制器，其特征在于将第一级转换器的中间电压作为正反馈提供给PWM控制器。应用这种结构，通过在第一级转换器中的PWM控制器的开关将输入电压转换为脉冲，此外，基于开关的占空度调节中间电压，并且在第二级转换器中以变压器绕组比执行电压转换，由此产生平均输出电压。在这种情况下，不仅通过外部环路将第二级转换器的输出电压作为负反馈提供给PWM控制器，而且还通过内部环路将第一级转换器的中间电压作为正反馈提供。因此，与单个的外部环路的情况相比，在整个控制系统传递函数中在低频侧上的谐振峰值消失，因此在相位与零度交叉的频率也变得更高。因此，增益余量极大地增加了，控制系统的操作更加稳定。此外，作为本专利技术的另一方面的多级DC-DC转换器是一种包括如下特征的两级DC-DC转换器通过PWM控制能够调节中间电压的作为第一级的非隔离DC-DC转换器、作为第二级的隔离DC-DC转换器和通过第二级转换器的输出电压的负反馈控制第一级的开关的占空度的PWM控制器，其特征在于将第一级转换器的开关电流作为反馈提供给PWM控制器。应用这种结构，通过在第一级转换器中的PWM控制器的开关将输入电压转换为脉冲，此外，基于开关的占空度调节中间电压，并且在第二级转换器中以变压器绕组比执行电压转换，由此产生平均输出电压。在这种情况下，不仅通过外部环路将第二级转换器的输出电压作为负反馈提供给PWM控制器，而且还通过内部环路提供第一级转换器的开关电流替代参考信号。因此，与单个的外部环路的情况相比，在整个控制系统传递函数中在低频侧上的谐振频率消失并成为拐点，因此四阶延迟变成三阶延迟。因此，增益余量进一步增加，控制系统的操作更加稳定。此外，作为本专利技术的另一方面的多级DC-DC转换器是一种包括如下特征的两级DC-DC转换器通过PWM控制能够调节中间电压的作为第一级的非隔离DC-DC转换器、作为第二级的隔离DC-DC转换器和通过第二级转换器的输出电压的负反馈控制第一级的开关的占空度的PWM控制器，其特征在于将流经第二级转换器的电流作为反馈提供给PWM控制器。应用这种结构，通过在第一级转换器中的PWM控制器的开关将输入电压转换为脉冲，此外，基于开关的占空度调节中间电压，并且在第二级转换器中以变压器绕组比执行电压转换，由此产生平均输出电压。在这种情况下，不仅通过外部环路将第二级转换器的输出电压作为负反馈提供给PWM控制器，而且还通过内部环路提供流经第二级转换器的电流(例如输出电感器电流)替代参考信号。因此，与单个的外部环路的情况相比，在整个控制系统传递函数中的相位不再零度交叉。恒定地稳定了控制系统的操作。注意，在本专利技术中，“多级”是指串联两个或更多个的转换器。附图说明附图1所示为两级DC-DC转换器的主电路的电路图。附图2所示为在附图1中所示的两级DC-DC转换器的主电路的操作的波形图。附图3所示为在附图1中所示的两级DC-DC转换器的主电路1的等效电路模型。附图4所示为使用单环输出电压反馈控制的两级DC-DC转换器的电路图。附图5所示为在附图4中所示的两级DC-DC转换器5的控制系统的方块图。附图6所示为在附图4中所示的两级DC-DC转换器5的谐振频率曲线。附图7所示为在附图4中所示的两级DC-DC转换器5的频率响应的伯德图(Bode plot)，其中(a)为作为频率函数的增益的伯德图，而(b)为作为频率函数的相位的伯德图。附图8所示为根据本专利技术的优选实施例1的两级DC-DC转换器的电路图。附图9所示为在附图8中所示的两级DC-DC转换器10的主要部分的方块图。附图10所示为在附图8中所示的两级DC-DC转换器10的控制系统的方块图。附图11所示为在附图8中所示的两级DC-DC转换器10的频率响应的伯德图，其中(a)为作为频率函数的增益的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级ＤＣ－ＤＣ转换器，包括：通过ＰＷＭ控制能够调节中间电压的作为第一级转换器的非隔离ＤＣ－ＤＣ转换器；作为第二级转换器的隔离ＤＣ－ＤＣ转换器；和通过第二级转换器的输出电压的负反馈控制第一级转换器的开关的占空度的ＰＷＭ控制器， 第一级转换器的中间电压作为负反馈提供给ＰＷＭ控制器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：财津俊行，高木雅和，
申请(专利权)人：TDK股份有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]