脉冲调制功率转换器制造技术

一种脉冲调制功率转换器，包括：　　　　前向路径，包括前向块（１５，３０）、用于放大前向块的输出的开关级（１１）和用于对开关级的输出信号进行低通滤波的输出滤波器（１２），　　　　全程反馈路径（１３），被连接到低通滤波的输出信号，并包括产生反馈信号的全程反馈块（１８，１９），　　　　从输入信号中减去所说的反馈信号并将结果馈送到所说的前向路径的装置（１４），　　　　其特征在于所说的全程反馈块（１８，１９）和／或前向块（１５，２０）包括：　　　　补偿所说的输出滤波器的相位滞后的至少一部分的装置；和　　　　在开关频率上获得１８０度的相位滞后的装置，　　　　由此在所说的开关频率上实现了受控振荡的条件。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种脉冲调制转换器，包括前向路径、全程反馈路径和从输入信号中减去反馈信号并将结果馈送到前向路径的装置，该前向路径包括前向块、放大前向块的输出的开关级和对开关级的输出信号进行低通滤波的输出滤波器，该全程反馈路径连接到低通滤波的输出信号，并包括产生反馈信号的全程反馈块。本专利技术也涉及一种开关功率转换系统，比如DC-AC(例如声频放大)、DC-DC或AC-AC转换系统或者上述的包括这种调制器系统的任何组合。本专利技术可以有利地用于改进任何系统中的功率转换，尤其是精确的DC-AC转换系统，比如高效率声频放大或线驱动器。
技术介绍
脉冲宽度调制器是任何功率转换系统的主要元件。大部分开关功率转换器基于脉冲宽度调制(PWM)作为控制在领域(DC或AC)之间有效转换的装置。典型的功率转换器可以包括PWM调制器、开关功率转换级、滤波器和控制系统。这种类型的已有技术的系统描述在US4724396和Mr.Attwood in Journal of the AES，Nov.1983，p.842-853中。然而，PWM具有本领域十分公知的缺陷，主要是由载波发生的实施方案引起。这限制了系统带宽并使设计复杂。此外，难以实现稳定和稳固的控制系统设计。为了克服这些缺陷，在本申请人的国际专利申请WO98/19391中引入了非迟滞的自振荡调制器(COM)，并在附图1示出。这种自振荡调制器不需要载波发生器，并具有如在所说的文献中详细描述的许多优点。COM通过在将信号从功率级2反馈到在转换器中的至少一个加法节点3的控制环路1中的两个高频极点实施。这局部反馈环路1因此具有较高的增益和较高的带宽。这种设计的问题是开关电源转换器的输出滤波器对负载变化变得更加灵敏，由此造成系统在动态上不稳定。由于输出滤波器负载的高灵敏度，在发生较大的负载步幅时，例如在消除负载时，该系统变得不稳定。这要求例如使用Zobel网络以便在低阻抗负载的情况下实现输出滤波器的衰减。在多环路系统的情况下，全程环路被定义为在开关功率转换器中反馈回输出滤波器5的输出的环路4。在这种全程环路断开它的环路增益和带宽时它受到限制，以便避免振荡加倍。这种受限的反馈增益使开关功率转换器的输出滤波器5对滤波器的非线性具有更小的补偿作用，由此造成对整个系统的性能的损失。此外，在局部环路中带有调制器的多环路系统的结构复杂，因为，为了获得正确的全程开环特性，高阶系统包括了许多极点和零点。
技术实现思路
因此，本专利技术的第一目的是提供一种在开关功率转换系统中的优良的调制技术，这种技术克服了与在已有技术中的失真相关的基本问题，由此降低了开关功率转换的总谐波失真。本专利技术的第二目的是提供一种稳定且稳健的控制和调制系统，由此实现了负载恒定的开关功率转换器。本专利技术的第三目的是提供一种降低成本的不复杂的系统。本专利技术的第四目的是例如借助于Zobel网络降低对输出滤波器控制的需要。通过本文开头所述的转换器实现这些目的和其它目的，其中前向块和/或全程反馈块包括补偿所说的输出滤波器的相位滞后的至少一部分的装置和在开关频率上获得180度的相位滞后的装置，因此满足在所说的开关频率上受控振荡的条件。这种新颖的控制原理称为全程环路受控振荡调制器(GCOM)。根据本专利技术，通过在控制系统结构的全程环路(包括转换器的全程反馈路径和前向路径)中的非迟滞装置实现自振荡调制器，这种控制系统结构包括一个或多个反馈环路。转换器补偿输出滤波器的相位滞后的至少一部分，因此对与输出滤波器和补偿装置的全程开环相位滞后的贡献小于180度。与这种相位滞后不同的是，在开关频率上实施附加的相位滞后，并且这种组合的结果产生了自振荡状态。调制器振荡信号在前向路径中提供了产生PWM的装置。该系统可以以低廉的系统实施。根据本专利技术，全程环路将具有很高的开环增益带宽电平。GCOM控制系统由此将自振荡技术的优点与高增益、宽带控制环路组合以抑制非线性。这将在总的谐波失真和噪声方面产生更好的性能的系统。本专利技术也用于在步进地改变负载时补偿滤波峰值，由此获得动态稳定的、负载恒定的系统。如果通过开关功率转换器驱动的负载具有与阻抗有关的频率，则这特别重要。GCOM控制系统进一步使转换器具有减少的Zobel网络或者没有它。这就导致了成本更低和能量效率更高的系统，因为Zobel部件通常体积大并且昂贵，这是因为在这些部件中的功率耗散的缘故。这种设计改进了先前的COM技术，在先前的COM技术中在局部环路中产生振荡，因此全程环路不存在高增益带宽。补偿装置优选在输出滤波器的截止频率上或至少其附近包括多个零点。如果输出滤波器具有N阶，则至少N-1个零点由此置于全程环路中，以抵消一部分输出滤波器的相位滞后。在开关频率上获得180度相位滞后的装置可以包括两个高频极点或者时间延迟器或者它们的组合。这些极点和/或时间延迟器是造成自振荡的主要原因。转换器可以进一步包括从开关功率级的输出到在前向路径中的至少一个加法点的至少一个局部反馈路径。如果实施局部环路，则补偿装置可以包括在置于局部反馈路径中的输出滤波器截止频率附近的多个极点。这些极点具有与置于全程环路中的零点相同的效果。转换器也可以包括连接到输出滤波器的输出和在前向块之前的加法点的至少一个附加的全程反馈路径。这产生了附加的全程控制环路，进一步改善了系统性能，例如非线性的抑制。GCOM转换器可以在开关功率转换器比如开关功率放大器中实施。放大器具有THD+n的性能，它比已有技术的系统好许多倍，由此使得这种控制系统非常适合于声频功率转换器。根据本专利技术的GCOM转换器非常适合于所有类型的精确的DC-AC转换应用，比如声频放大和马达或者电动换能器驱动应用。GCOM转换器也有利地被用于精确的电压或电流控制的DC-AC转换，例如利用用于声频应用的功率放大器或者用于线传输的线驱动器。附图说明下文参考附图描述本专利技术的这些和其它方面，在附图中示出了当前优选的本专利技术的实施例。附图1所示为具有在局部控制环路中实施的非迟滞调制器的已有技术的多环路系统。附图2所示为根据本专利技术的第一实施例的系统。附图3所示为根据附图2的系统的一个实例的相位特性。附图4所示为根据附图2的系统和已有技术的系统的全程开环幅值特性。附图5所示为根据本专利技术的第二实施例的系统。附图6所示为根据附图5的系统的实例的相位特性。附图7所示为根据本专利技术的第三实施例的系统。附图8所示为根据附图7的系统的实例的相位特性。附图9所示为根据本专利技术的第四实施例的系统。具体实施例方式包括根据本专利技术第一优选实施例的调制器的功率转换系统在附图2中示出。该系统包括开关功率级11、输出滤波器12和将输出滤波器12的输出反馈到加法点14的全程反馈路径13，加法点14被设置成从输入信号Vin中减去反馈信号VF并将结果VR输送给在开关功率级11之前的前向块15。给负载16提供来自输出滤波器12的输出。为简洁起见，所示的全程反馈路径13具有两个反馈块18，19，但这自然可以作为一个块实施。开关功率级11可以包括一个或多个半桥，优选是包括两个半桥的全桥或者以单端操作模式的单半桥。输出滤波器12被设置成对来自开关功率级11的开关输出进行解调，并且通常是N阶的低通滤波器。根据本专利技术的本实施例，反馈块18具有包括置于滤波器截止频率fcut-o本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：拉斯·M·芬格尔，
申请(专利权)人：邦及奥卢夫森公司，
类型：发明
国别省市：