專利名稱：循環(huán)變流器的前饋控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及循環(huán)變流器的前饋控制。具體地，本發(fā)明涉及一種控制循環(huán)變流器的方法以及一種具有前饋控制模塊的循環(huán)變流器，其中使用前饋控制來控制循環(huán)變流器的開關(guān)頻率。
背景技術(shù)：
許多不同產(chǎn)業(yè)需要用于基于三相電源供給恒定功率的電源。
已經(jīng)產(chǎn)生循環(huán)變流器以用在高效電源中，以便提供相對(duì)于傳統(tǒng)整流器電源和兩級(jí)電源的多個(gè)改進(jìn)。
循環(huán)變流器提供了高效的單級(jí)功率變換器。采用單級(jí)功率轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)基于以下事實(shí)單級(jí)變換器將具有與傳統(tǒng)兩級(jí)整流器的各個(gè)級(jí)中的任一級(jí)的效率類似的效率(例如， 96%)。換言之，來自單級(jí)變換器的損耗僅為兩級(jí)變換器的損耗的一半。該更高效率(更低損耗)導(dǎo)致整流器內(nèi)的部件的大小的對(duì)應(yīng)減小，并由此導(dǎo)致耗費(fèi)更低成本來生產(chǎn)的產(chǎn)品更小。 由于以下原因獲得其他優(yōu)點(diǎn)對(duì)于給定的系統(tǒng)功率，來自變換器的排氣熱量將更低(使功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易)，以及可以利用比傳統(tǒng)兩級(jí)整流器設(shè)計(jì)顯著更少的部件來實(shí)現(xiàn)單級(jí)變換器的事實(shí)。
本申請(qǐng)的申請(qǐng)人已經(jīng)產(chǎn)生了一種獨(dú)特的三相諧振循環(huán)變流器配置，如PCT公開 W02008/018802中所述，該P(yáng)CT公開以參考的方式并入于此。
本申請(qǐng)涉及一種用于控制三相諧振循環(huán)變流器(例如，W02008/018802中所述的類型)的改進(jìn)方法(以及關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng))。將意識(shí)到，盡管諸如在W02008/018802中所述的變換器之類的功率變換器在電信產(chǎn)業(yè)中特別有用，但是這些功率變換器在其他產(chǎn)業(yè)中也同樣適用。
W02008/018802已提出可以使用基于循環(huán)變流器的所測(cè)量出的輸出電壓的比例和積分反饋元件來控制循環(huán)變流器的開關(guān)頻率。然而，這些反饋形式不能在循環(huán)變流器的輸入功率在較短時(shí)間段中實(shí)質(zhì)上變化或被中斷的情況下提供快速響應(yīng)。
本發(fā)明的目的是提供循環(huán)變流器的改進(jìn)控制機(jī)制。
特別地，本發(fā)明的目的是當(dāng)輸入電源在較短時(shí)間段中實(shí)質(zhì)上變化或者被中斷時(shí)提供循環(huán)變流器的改進(jìn)控制機(jī)制。
每個(gè)目的應(yīng)當(dāng)使用至少向公眾提供有用選擇的目的來分離地理解。
本發(fā)明旨在克服或者至少緩解一些或所有上述問題。發(fā)明內(nèi)容
應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，術(shù)語“包括”可以在變化的權(quán)限下歸于排他或相容的含義。出于本說明書的目的，并且除非另外指出，這些術(shù)語旨在具有相同的含義，即，它們將被視為包括直接使用參考的所列出的部件，并且還可能包括其他未指定的部件或元件。
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種三相諧振循環(huán)變流器，該循環(huán)變流器包括前饋控制模塊，前饋控制模塊被布置為產(chǎn)生用于取決于被布置為向循環(huán)變流器提供功率的電源的狀況來對(duì)循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的前饋信號(hào)。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種控制三相諧振循環(huán)變流器的方法，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生用于取決于被布置為向循環(huán)變流器提供功率的電源的狀況對(duì)循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的前饋信號(hào)。


現(xiàn)在將參照附圖，僅通過示例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，在其中
圖I示出了可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例控制的循環(huán)變流器布置；·
圖2示出了可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例控制的循環(huán)變流器的開關(guān)序列；
圖3示出了如圖I所示的循環(huán)變流器的LLC傳遞函數(shù)；
圖4A和4B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的開關(guān)時(shí)段調(diào)整的表示；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制電路的系統(tǒng)框圖；以及
圖6示出了與圖5的控制電路一起使用的保持電路。
具體實(shí)施方式
第一實(shí)施例
根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于產(chǎn)生前饋控制信號(hào)的方法和關(guān)聯(lián)控制電路，該前饋控制信號(hào)可以取決于循環(huán)變流器的電源來調(diào)節(jié)循環(huán)變流器的開關(guān)頻率。
現(xiàn)在將參照?qǐng)DI來描述循環(huán)變流器電路布置。
圖I示出了以使用該第一實(shí)施例的控制方法的半橋形式的三相諧振循環(huán)變流器電路。
將理解的是，本發(fā)明的該實(shí)施例和其他實(shí)施例還可以適用于全橋循環(huán)變流器。
圖I的循環(huán)變流器包括形成半橋的雙向開關(guān)17至19和電容器20至22。開關(guān)17 由MOSFET 35與體二極管36的并聯(lián)同MOSFET 37與體二極管38的并聯(lián)串聯(lián)構(gòu)成。開關(guān)17 具有四個(gè)狀態(tài)
I.接通(M0SFET 35 和 MOSFET 37 接通);
2.關(guān)斷(MOSFET 35 和 37 關(guān)斷)；
3.正向二極管(MOSFET 37接通，接入體二極管36)；
4.反向二極管(M0SFET 35接通，接入體二極管38)。
類似地配置開關(guān)18和19。通過利用這四個(gè)開關(guān)狀態(tài)，可以如將描述的那樣實(shí)現(xiàn)全諧振開關(guān)。
三相供電線23至25將三相AC電提供給半橋。循環(huán)變流器的輸出驅(qū)動(dòng)由電感器 26、電容器27以及變壓器29的初級(jí)線圈28構(gòu)成的LLC諧振電路。輸出線圈30和31經(jīng)由二極管32和33以及電容器34連接，以形成半橋整流器35。
電感器26和電容器27形成串聯(lián)諧振電路。為了實(shí)現(xiàn)低負(fù)載輸出電壓調(diào)節(jié)，可以通過對(duì)主變壓器29的磁芯造成間隙來容易地將諧振電路從簡(jiǎn)單LC諧振電路變換為L(zhǎng)LC諧振電路。輸出電壓控制的主要方法由可變頻率控制實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D2來描述三相諧振循環(huán)變流器的開關(guān)序列。
根據(jù)該實(shí)施例，循環(huán)變流器的開關(guān)頻率是高頻。即，該實(shí)施例的開關(guān)頻率大致為 IOOkHz0然而，將理解的是，作為替換，可以使用其他更低或更高的開關(guān)頻率。
為了實(shí)現(xiàn)這些需求以實(shí)現(xiàn)諧振開關(guān)，始終按以下順序?qū)w管排序該順序使得首先接通最大電壓量值(L)電源(mains)相位晶體管，接下來是具有中電壓量值(M)的電源相位，然后最后是具有最小電源電壓量值(S)的電源相位。以亞微秒死區(qū)時(shí)間無限地重復(fù)該排序(L、M、S、L、M、S、......)以允許諧振負(fù)載電壓換向。由于電源瞬時(shí)輸入電壓持續(xù)改變，因此電源輸入的每30度，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)各個(gè)晶體管的排列邏輯反轉(zhuǎn)晶體管排列順序。
圖2示出了三相電源瞬時(shí)電壓(黃、藍(lán)和紅)在單個(gè)電源周期上的變化，并且曲線圖直接下方的表示出表示六個(gè)晶體管中的每一個(gè)在12個(gè)電源30度段中的每一個(gè)期間的函數(shù)的邏輯表。
“大相位(L)”——對(duì)電流從具有最大電壓量值的電源相位流經(jīng)諧振負(fù)載、變壓器并最終至整流器輸出的流動(dòng)進(jìn)行控制的晶體管。
“中相位(M)”——對(duì)電流從具有中等電壓量值的電源相位流經(jīng)諧振負(fù)載、變壓器并最終至整流器輸出的流動(dòng)進(jìn)行控制的晶體管。
“小相位(S) ”——對(duì)電流從具有最小電壓量值的電源相位流經(jīng)諧振負(fù)載、變壓器并最終至整流器輸出的流動(dòng)進(jìn)行控制的晶體管。
邏輯表中的參考Y、B和R指示了三個(gè)電源相位瞬時(shí)電壓黃、藍(lán)或紅中的哪些是所指示的相位(L、M或S)的相關(guān)電壓。
該諧振開關(guān)序列導(dǎo)致經(jīng)過晶體管和輸出整流器二極管的正弦波電流流動(dòng)，使得當(dāng)進(jìn)行每次開關(guān)轉(zhuǎn)移時(shí)，電流已經(jīng)幾乎返回至零。這降低了晶體管和輸出二極管兩者中的開關(guān)損耗，并允許使用MOSFET或IGBT開關(guān)晶體管。如果使用IGBT晶體管，則可以采用反并聯(lián)二極管，以允許反轉(zhuǎn)電流路徑(發(fā)射極至集電極)。
現(xiàn)在提供循環(huán)變流器的各種模式的簡(jiǎn)要討論。在圖2中，ZXM指示了零交叉模式被激活的位置，并且MXM指示了量值交叉模式被激活的位置，如下所述。
由于在極小的時(shí)間段中嘗試并接通然后再次關(guān)斷晶體管變得不實(shí)際，因此存在以下點(diǎn)(在每個(gè)電源電壓零交叉附近)其中，嘗試接通S晶體管沒有任何優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)于在每個(gè)電源零交叉之前開始幾度并在電源零交叉之后擴(kuò)展至幾度的時(shí)間段，循環(huán)變流器可以操作于兩相模式。該模式被稱作“零交叉模式”，并且在該操作模式期間，高頻開關(guān)序列僅為 L、M、L、M、L、M……，其中，僅L和M晶體管接通，而S晶體管保持關(guān)斷。在該“零交叉模式” 期間，L和M晶體管兩者的晶體管接通時(shí)間相等。
在電源電壓量值交叉點(diǎn)處維持正常的L、M、S、L、M、S……高頻開關(guān)序列時(shí)出現(xiàn)不同問題。在每個(gè)電源量值交叉點(diǎn)處，M和S相位電壓交換，并且因此M和S的定義也必須交換。如果關(guān)于循環(huán)變流器的高頻開關(guān)頻率來考慮電源相位電壓的改變速率，則以下情況變得清楚在特定時(shí)刻處交叉的M和S相位電壓的概念遠(yuǎn)非現(xiàn)實(shí)。電源相位電壓的改變速率如此慢，使得對(duì)于許多高頻開關(guān)周期，M和S相位電壓實(shí)際上相等。更有甚者，當(dāng)考慮諸如噪聲之類的真實(shí)世界影響時(shí)，還可以意識(shí)到，變換器實(shí)際上可以在不正確的M和S定義下在多個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)操作。例如，稱為S的相位上的電壓實(shí)際上大于(以非常小的量)稱為 M的相位上的電壓。M和S相位的定義中的這種誤差導(dǎo)致錯(cuò)誤的晶體管開關(guān)序列，這進(jìn)而導(dǎo)致從M至S電源相位(或者，取決于相對(duì)電壓極性的S至M電源相位)流動(dòng)的相當(dāng)大的電流。通過改變當(dāng)循環(huán)變流器在電源電壓量值交叉點(diǎn)附近操作時(shí)使用的高頻開關(guān)序列，可以避免該問題。
因此，對(duì)于在每個(gè)電源量值交叉之前開始幾度并在電源量值交叉之后擴(kuò)展至幾度的時(shí)間段，循環(huán)變流器可以操作于交錯(cuò)模式。該模式被稱作“量值交叉模式”，并且在該模式期間，高頻開關(guān)序列僅為L(zhǎng)、M、L、S、L、M、L、S、……，其中，M和S晶體管交替地在每次L晶體管接通時(shí)之間接通。在該“量值交叉模式”期間，L、M和S晶體管的晶體管接通時(shí)間均相坐寸ο
因此，循環(huán)變流器使用三個(gè)不同高頻開關(guān)序列“零交叉模式”——在電源相位零交叉附近使用；“三相模式”——大多數(shù)時(shí)間使用的正常模式；“量值交叉模式”—— 在電源相位量值交叉附近使用。
圖3示出了這里描述的類型的循環(huán)變流器的串聯(lián)諧振LLC傳遞函數(shù)。X軸示出了循環(huán)變流器的開關(guān)頻率，并且I軸示出了循環(huán)變流器的輸出電壓。示出了三個(gè)特性，其中循環(huán)變流器不具有負(fù)載、具有半負(fù)載和具有滿負(fù)載。如上所說明的，在該實(shí)施例中，循環(huán)變流器操作于100 kHz的開關(guān)頻率處。從傳遞函數(shù)可見，通過提高開關(guān)頻率至高于100kHz，輸出電壓下降，而通過降低開關(guān)頻率，輸出電壓提高。
參照?qǐng)D4a和4b，提供對(duì)單個(gè)開關(guān)頻率時(shí)段的L、M和S開關(guān)時(shí)段的表示。
圖4a示出了未調(diào)整的開關(guān)頻率時(shí)段的L、M和S的原始三個(gè)開關(guān)時(shí)段。第一開關(guān)時(shí)段L確定將切換最大量值輸入相位電壓信號(hào)的循環(huán)變流器中的晶體管的接通時(shí)間。SP， 形成三相電壓電源輸入的三個(gè)輸入相位電壓信號(hào)Va、Vb和Vc由如圖I所不的各個(gè)晶體管對(duì)取決于其量值來切換。開關(guān)時(shí)段L指示正在切換最大量值輸入相位電壓信號(hào)，開關(guān)時(shí)段M 指示正在切換中等量值輸入相位電壓信號(hào)，并且開關(guān)時(shí)段S指示正在切換最小量值輸入相位電壓信號(hào)。
從圖4A和4B中可見，在50%的時(shí)間內(nèi)接通L，而M和S共享剩余的50%。即，在 50%的開關(guān)時(shí)段內(nèi)將最大量值輸入相位電壓信號(hào)接通至LLC電路，而在剩余50%的開關(guān)時(shí)段內(nèi)將中等和小量值輸入相位電壓信號(hào)接通至LLC電路。
由此可見，通過基于對(duì)循環(huán)變流器的供給電壓的差異對(duì)三相諧振循環(huán)變流器的L 開關(guān)時(shí)段(L接通時(shí)間)進(jìn)行調(diào)整，提供了對(duì)輸出電壓的粗略控制。即，調(diào)整L開關(guān)時(shí)段調(diào)整了循環(huán)變流器的開關(guān)頻率，并由此調(diào)整了輸出電壓。
可以將前饋項(xiàng)應(yīng)用于控制電路以輔助對(duì)開關(guān)頻率的總體控制。前饋項(xiàng)可以用于在確定的電源狀況下調(diào)整L開關(guān)時(shí)段以將輸出電壓保持恒定。這可以在例如輸入電壓以較大量波動(dòng)并且需要調(diào)整以快速修改輸出電壓的情形下是有用的?？商鎿Q地，前饋調(diào)整將在保持電路被激活時(shí)是有用的。
使用被饋送至比例、積分和微分(PID)控制器中的PID控制信號(hào)以及前饋項(xiàng)的組合來調(diào)整L開關(guān)時(shí)段。
基于以下算法來產(chǎn)生前饋項(xiàng)該算法考慮到輸入供給電壓的改變量以及該改變量與在L開關(guān)時(shí)段中為了維持恒定電壓輸出的所需改變之間的關(guān)系。即，該算法提供了對(duì)應(yīng)當(dāng)針對(duì)給定輸入電壓擾動(dòng)改變多少開關(guān)頻率以使維持輸出電壓的估計(jì)。可以根據(jù)從各種測(cè)試情形憑經(jīng)驗(yàn)確定L開關(guān)時(shí)段的調(diào)整量，在變化的負(fù)載條件下放置循環(huán)變流器電路，并且記錄被產(chǎn)生以在穩(wěn)態(tài)條件期間控制循環(huán)變流器的實(shí)際L開關(guān)時(shí)段。即，基于各種負(fù)載條件來產(chǎn)生一組L穩(wěn)態(tài)值。
通過分析L開關(guān)時(shí)間的穩(wěn)態(tài)值，可以生成一組最佳擬合的多項(xiàng)式值。例如，可以基于輸入電壓信號(hào)的改變和循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的函數(shù)來確定所生成的多項(xiàng)式值。
圖5示出了指示控制電路的各個(gè)部件的系統(tǒng)框圖。
三相電源501經(jīng)由三個(gè)電壓相位線503將三相功率提供給循環(huán)變流器505。根據(jù)該實(shí)施例。循環(huán)變流器如圖I所示，然而，將理解的是，可以以與這里描述的類似方式控制任何其他合適類型的三相諧振循環(huán)變流器。
循環(huán)變流器輸出是正弦電壓輸出波形，其被饋送至LLC諧振電路，LLC諧振電路包括諧振電感器(Lr)、諧振電容器(Cr)以及輸出變壓器的初級(jí)線圈506。
變壓器的次級(jí)線圈507饋送也在圖I中示出的兩個(gè)二極管Dl和D2。
閉環(huán)控制模塊509使用在變壓器的次級(jí)側(cè)的負(fù)載上取得的電壓輸出波形Vout來產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)Verror 522。
將理解的是，可以從多個(gè)不同點(diǎn)取得循環(huán)變流器的電壓輸出。可以在變壓器的次級(jí)側(cè)放置的負(fù)載上測(cè)量到循環(huán)變流器的電壓輸出?？商鎿Q地，可以從變壓器的初級(jí)側(cè)的循環(huán)變流器輸出來直接測(cè)量來自循環(huán)變流器的電壓信號(hào)輸出。
閉環(huán)控制模塊509包括電壓信號(hào)誤差模塊511、積分增益模塊510、累積模塊512 和存儲(chǔ)模塊513，其形成有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的一部分。閉環(huán)控制模塊509還包括 PID控制器517、比例增益模塊520和微分增益模塊527。
電壓信號(hào)誤差模塊511包括電壓參考發(fā)生器508和電壓誤差發(fā)生器519,其被布置為基于在循環(huán)變流器的輸出電壓515與由電壓參考發(fā)生器508生成的電壓參考值Vref之間的差來產(chǎn)生誤差信號(hào)Verror。Vref是功率變換器的期望輸出電壓。
通過積分增益模塊510來饋送誤差信號(hào)Verror，并且然后，針對(duì)輸出電壓波形的相同的對(duì)應(yīng)部分，使用累積模塊512將誤差信號(hào)Verror與來自存儲(chǔ)模塊513的歷史電壓信號(hào)值相加、組合或累積，其中來自累積模塊512的結(jié)果用作存儲(chǔ)模塊513 (FIR濾波器)的輸入。
因此，存儲(chǔ)模塊513被布置為存儲(chǔ)輸出電壓波形的具體部分的誤差校正后的歷史電壓信號(hào)值。即，針對(duì)輸出電壓波形的相關(guān)部分，將誤差校正后的歷史電壓信號(hào)值作為新電壓信號(hào)值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊513內(nèi)?；跉v史電壓信號(hào)值，將存儲(chǔ)模塊513內(nèi)的值作為積分電壓控制信號(hào)521輸出。
還將電壓誤差信號(hào)Verror提供給比例增益模塊520，以產(chǎn)生比例電壓控制信號(hào) 523。比例電壓控制信號(hào)523是輸出電壓Vout的直接比例度量。
可以結(jié)合循環(huán)變流器的輸出，在變壓器的次級(jí)側(cè)放置的負(fù)載上直接取得所測(cè)量出的輸出電壓，即，將從循環(huán)變流器的輸出處放置的隔離變壓器的次級(jí)側(cè)產(chǎn)生的電壓信號(hào)反饋至控制電路。作為替換，可以使用其他技術(shù)來測(cè)量輸出電壓。例如，可以在循環(huán)變流器的輸出處的整流器二極管之后立即測(cè)量負(fù)載電壓。
還使用微分增益模塊527來產(chǎn)生微分電壓控制信號(hào)529。根據(jù)該實(shí)施例，通過在循環(huán)變流器輸出變壓器的次級(jí)側(cè)使用電流傳感器直接測(cè)量負(fù)載電流516來產(chǎn)生“微分電壓” 信號(hào)。在整流器二極管Dl和D2的陰極側(cè)感測(cè)負(fù)載電流。作為替換，可以使用循環(huán)變流器輸出變壓器的初級(jí)側(cè)的諧振電流來產(chǎn)生負(fù)載電流。即，負(fù)載電流產(chǎn)生模塊可以使用附著至位于循環(huán)變流器輸出處的變壓器的初級(jí)線圈506的電流傳感器來感測(cè)諧振電流iRes。諧振電流iRes被視為變壓器的輸出電流的精確表示，這是由于變壓器的次級(jí)側(cè)的輸出電容(形成半橋整流器的一部分)支配該電路(即，負(fù)載實(shí)際上是電阻性的)。
變壓器的輸出電流被視為輸出電壓的微分。因此，使用所測(cè)量出的負(fù)載電流lout， 通過使所感測(cè)出的負(fù)載電流經(jīng)過微分增益模塊527來產(chǎn)生微分電壓控制信號(hào)529。
提供了鎖相環(huán)(PLL)模塊531，鎖相環(huán)(PLL)模塊531通過測(cè)量三相輸入電壓線來產(chǎn)生輸入電壓信號(hào)。所產(chǎn)生的輸入電壓由保持電路533監(jiān)視以確定是否應(yīng)當(dāng)激活保持電路，如以下更詳細(xì)說明。還將所產(chǎn)生的輸入電壓提供給前饋項(xiàng)發(fā)生器535。前饋項(xiàng)發(fā)生器被布置為基于在當(dāng)保持電路未被激活時(shí)的條件期間對(duì)輸入電壓的突然變化(例如，階躍變化) 來產(chǎn)生前饋項(xiàng)L_FF 537。此外，前饋項(xiàng)發(fā)生器被布置為在保持電路被激活時(shí)產(chǎn)生前饋項(xiàng)匕_ FF，并且這導(dǎo)致被饋送至LLC電路的電壓由于在AC電源輸入與所切換的保持電容器電壓之間的變化而變化，反之亦然。前饋項(xiàng)發(fā)生器還基于在保持電路激活時(shí)保持電路電容器電壓中的任何重大改變來產(chǎn)生前饋項(xiàng)L_FF。
將比例、積分、微分和前饋控制信號(hào)提供給PID控制器517，PID控制517基于比例、積分、微分和前饋控制信號(hào)的組合來產(chǎn)生開關(guān)頻率控制信號(hào)518。該開關(guān)頻率控制信號(hào) 518用于通過調(diào)整具有最大絕對(duì)電壓的輸入電壓波形的相位的開關(guān)頻率的開關(guān)頻率時(shí)段， 來控制循 環(huán)變流器505的開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)頻率控制。即，對(duì)L接通時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以改變總體開關(guān)頻率時(shí)段，并由此改變循環(huán)變流器的開關(guān)頻率。
通過將所定義的算法應(yīng)用于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，確定前饋L接通項(xiàng)(L_FF)。 將1^^項(xiàng)與控制前饋信號(hào)相加，以調(diào)整循環(huán)變流器的開關(guān)頻率。即，在各種不同情形下，L_ FF可以由控制電路使用以修改L開關(guān)時(shí)段，這將通過調(diào)整循環(huán)變流器的總體開關(guān)時(shí)段來調(diào)整輸出電壓。
在該實(shí)施例中，通過應(yīng)用使用多項(xiàng)式值的算法來生成L_FF。多項(xiàng)式值基于在輸入電壓的改變與輸出電壓的后續(xù)所需改變之間的關(guān)系。
然而，將理解的是，作為替換，還可以使用查找表來生成L_FF值。
根據(jù)該實(shí)施例，始終將前饋與反饋控制電路的控制輸出相加。然而，如果在輸入電壓電源中存在足夠的階躍變化，則L_FF項(xiàng)將僅影響控制輸出?？偟膩碚f，將L_FF 前饋項(xiàng)與積分項(xiàng)相加。當(dāng)已存在階躍輸入變化時(shí)，L_FF項(xiàng)有效地“重置”積分項(xiàng)，即，刪除積分歷史。
通過將輸入電壓信號(hào)饋送至鎖相環(huán)(PLL)電路來不斷監(jiān)視輸入電壓信號(hào)，鎖相環(huán) (PLL)電路被布置為產(chǎn)生表示用于將功率饋送至循環(huán)變流器的三個(gè)輸入相位電壓線上的電壓的輸入電壓信號(hào)。
輸入電壓的任何改變將根據(jù)所使用的算法來生成L_FF輸出。然后，將該L_FF前饋項(xiàng)饋送至控制電路中的PID控制器以調(diào)整L接通時(shí)段。
根據(jù)該實(shí)施例，所使用的算法在輸入電壓的百分比改變與所需輸出電壓的百分比改變之間具有直接關(guān)系。即，如果輸入電壓下降X%，則控制電路被布置為提供將L開關(guān)時(shí)段調(diào)整為足以產(chǎn)生輸出電壓的x%升高的前饋L_FF項(xiàng)。將理解的是，作為替換，可以使用在輸入和輸出電壓之間的其他直接關(guān)系。還將理解的是，輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系可以是線性或非線性關(guān)系。
如上所述，存在以下各種不同情形其中，具有可調(diào)整L開關(guān)時(shí)段并由此調(diào)整循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的前饋L_FF項(xiàng)將是有益的。
例如，根據(jù)第一情形，前饋L_FF項(xiàng)可以用于在所監(jiān)視的輸入電壓在較短時(shí)間段中實(shí)質(zhì)上已變化的情形下(例如如上所述的階躍變化)調(diào)整開關(guān)頻率。
根據(jù)第二情形，可以在由于輸入功率的損耗而已激活保持電路時(shí)使用前饋L_FF 項(xiàng)。
保持電路提供了用于在發(fā)生實(shí)用故障時(shí)支持負(fù)載電壓IOmS或更多的機(jī)制。這在臨界數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中特別有用。
例如，當(dāng)存在功率損耗時(shí)，激活保持電路并使用L_FF項(xiàng)來在由AC電源的損耗導(dǎo)致的輸入電壓的變化、對(duì)保持電路電壓的應(yīng)用以及返回至使用AC電源期間控制開關(guān)頻率。
現(xiàn)在作為背景，提供保持電路的描述。
圖6示出了電路圖，在其中包括以降壓(buck)變換器的形式的輔助變換器616(在虛線框內(nèi))，以在輸入功率的損耗期間將保持提供給循環(huán)變流器。
圖6示出了全波輔助變換器616，其輸出在對(duì)循環(huán)變流器的正常輸入功率供給期間與循環(huán)變流器和輸出變壓器615隔離。變壓器617與輸出變壓器615并聯(lián)連接，并且可以選擇變壓器617的匝數(shù)618與匝數(shù)619的匝數(shù)比以對(duì)電容器623和624進(jìn)行充電，如將描述的。不是利用分離的變壓器，而是可以將繞組619過緊地卷在變壓器615上。經(jīng)由與經(jīng)由電容器620以及二極管621和622的輔助變換器616的輸出路徑無關(guān)的充電路徑來對(duì)電容器623和624進(jìn)行充電。經(jīng)由與輸出路徑無關(guān)的充電路徑控制充電防止了向623和624 的過度涌入電流，否則過度涌入電流可以在啟動(dòng)時(shí)壓制主變換器輸出。電容器620可以是任何阻抗，并對(duì)電容器623和624的充電率進(jìn)行控制。如果用電阻器來替代電容器620，則將引來電阻損耗。頻率相關(guān)阻抗具有以下優(yōu)勢(shì)更低的損耗，以及充電率可以隨循環(huán)變流器開關(guān)頻率而變化。盡管電感將具有最期望的頻率相關(guān)性，但是這將引來附加電感性元件的成本和大小。電容器具有低損耗、小尺寸和低成本的優(yōu)勢(shì)。還可以利用復(fù)合阻抗。阻抗(在這種情況下為電容器620)的大小被設(shè)置為使得在可接受的時(shí)段內(nèi)對(duì)電容器623和624進(jìn)行充電并且未在循環(huán)變流器上放置過度的負(fù)載。
優(yōu)選地，變壓器617的繞組618和619的匝數(shù)比被設(shè)置為使得將電容器623和624 充電至完全高于對(duì)變壓器615供給的循環(huán)變流器正常輸出電壓的電平。這樣，輔助變換器 616可以更好地利用電容器623和624中存儲(chǔ)的電荷。
FET 625和626的阻流二極管與二極管627和628相對(duì)，使得在FET625和626關(guān)斷時(shí)，電容器623和624與循環(huán)變流器和輸出變壓器615隔離。在對(duì)電源線I至3的輸入功率供給存在不連續(xù)的情況下，可以經(jīng)由FET625和626以及二極管627和628將電容器623 和624中存儲(chǔ)的電荷供給至輸出變壓器615，以維持來自功率變換器的輸出供給。根據(jù)該實(shí)施例，保持控制電路629通過從PLL 531接收輸出來監(jiān)視輸入功率供給。當(dāng)檢測(cè)到供給中的不連續(xù)時(shí)，保持控制電路629控制FET 625和626的切換，從而使用電容器623和624 中存儲(chǔ)的電荷來維持輸出供給。保持控制電路629在輔助變換器的操作期間以相對(duì)較高的頻率(約IOOkHz)切換FET 625和626，以將高頻AC輸出電壓提供給輸出變壓器615。二極管627和628被選擇為具有相對(duì)于FET 625和626的開關(guān)速度較慢的開關(guān)速度，使得在FET 625或626已導(dǎo)通之后，當(dāng)另一 FET接通時(shí)，關(guān)聯(lián)的二極管627或628保持接通，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)。例如，如果FET 625初始接通，則二極管627變?yōu)閷?dǎo)通，并且將來自電容器 623的電荷供給至輸出變壓器615。當(dāng)FET 625關(guān)斷時(shí)，二極管627緩慢關(guān)斷并在FET 626 接通時(shí)保持導(dǎo)通，使得導(dǎo)通路徑保持經(jīng)由二極管627以及FET 625的阻流二極管，使得可以執(zhí)行ZVS開關(guān)。這樣，可以在正常操作期間隔離輔助變換器的輸出，但是在輔助變換器的操作期間，二極管627和628實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)體以允許ZVS開關(guān)。該布置還具有使用相對(duì)便宜的慢開關(guān)二極管627和628的優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)該實(shí)施例，輸入相位上的電壓由PLL監(jiān)視，以確定何時(shí)存在輸入電壓的任何損耗或顯著降低。保持控制電路629使用所監(jiān)視的輸入電壓信息來對(duì)何時(shí)將功率從AC轉(zhuǎn)換至保持電路做出決定。此外，前饋項(xiàng)發(fā)生器535監(jiān)視保持電容器電壓，以確定在保持電路被激活的情況下將如何改變開關(guān)頻率。
因此，如果輸入電壓降至低于預(yù)定最小電壓，則確定電源輸入電壓不足，并且PLL 向保持電路發(fā)送信號(hào)以指示保持電路從AC輸入切換至保持電路的保持電容器。
保持電容器上的電壓由前饋項(xiàng)發(fā)生器監(jiān)視，使得當(dāng)控制電路已切換至保持電路時(shí)，發(fā)生器內(nèi)的前饋算法具有來自保持電容器的電壓信息，以確定需要開關(guān)頻率的什么改變，并由此產(chǎn)生所需的L_FF項(xiàng)以提供所需的開關(guān)頻率改變。
S卩，向前饋項(xiàng)發(fā)生器的前饋算法饋送兩個(gè)輸入——電源電壓和保持電容器電壓。 基于這兩個(gè)電壓輸入，該算法進(jìn)行以下計(jì)算。
如果保持控制電路確定了循環(huán)變流器的供給要從電源輸入切換至保持電路，則首先確定需要將開關(guān)頻率改變多少。該計(jì)算持續(xù)改變，并且在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，將進(jìn)行該計(jì)算而后不使用該計(jì)算。然而，當(dāng)保持控制電路確定變換器應(yīng)當(dāng)切換至保持電路時(shí)，則將使用由前饋項(xiàng)發(fā)生器產(chǎn)生的前饋算法結(jié)果L_FF，通過調(diào)整L開關(guān)時(shí)間來創(chuàng)建必要的階躍變化。
因此，如果控制電路應(yīng)當(dāng)決定從電源切換至保持電路，則前饋算法可以用于對(duì)將開關(guān)頻率改變多少進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及補(bǔ)償任何突然的電源輸入電壓改變，這不需要激活保持電路。即，兩個(gè)情形包括電源輸入電壓的突然改變以及由于控制電路已決定從電源輸入切換至保持電路而引起的突然改變，反之亦然。
在以上情形中，必須快速作用于循環(huán)變流器的輸入電壓的突然改變，以提供確保持續(xù)輸出恒定電壓的調(diào)整。使用標(biāo)準(zhǔn)反饋控制環(huán)不提供足夠快的響應(yīng)時(shí)間，并將導(dǎo)致輸出處的電壓漂移。
一般地，在控制電路內(nèi)使用L_FF來“重置”當(dāng)前使用的L值，以將開關(guān)頻率調(diào)整為可由反饋控制環(huán)更容易地調(diào)整的值。將前饋項(xiàng)(L_FF)與電壓控制環(huán)輸出相加，以修改L開關(guān)時(shí)段(L接通時(shí)間)并最小化任何“積分器飽和(wind-up)”。即，PID環(huán)中的I項(xiàng)是誤差積分器。已知，當(dāng)積分器經(jīng)歷輸入電壓中的階躍變化(例如，突然改變)時(shí)，其輸出將“飽和”， 即，輸出將耗費(fèi)一些時(shí)間來安置到新操作點(diǎn)。
通過利用前饋L接通時(shí)間，避免了該影響。前饋L接通項(xiàng)提供了新的合適操作點(diǎn)處的“更好的猜想”。這種更好的猜想提供了改進(jìn)的結(jié)果，當(dāng)已發(fā)生階躍變化時(shí)，該改進(jìn)結(jié)果減小了積分“飽和”的量。因此，這減少了 PID控制環(huán)將耗費(fèi)以響應(yīng)任何階躍變化的時(shí)間。
將理解的是，這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅作為示例，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種三相諧振循環(huán)變流器，該循環(huán)變流器包括前饋控制模塊，所述前饋控制模塊被布置為產(chǎn)生用于取決于被布置為向所述循環(huán)變流器提供功率的電源的狀況對(duì)所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的前饋信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三相循環(huán)變流器，還包括 鎖相環(huán)模塊，被布置為基于三相輸入電壓，產(chǎn)生輸入電壓信號(hào)； 其中，所述前饋控制模塊被布置為基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，產(chǎn)生所述前饋信號(hào)，以及 開關(guān)信號(hào)發(fā)生器，被布置為產(chǎn)生對(duì)所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的開關(guān)信號(hào)，并且還被布置為基于所產(chǎn)生的前饋信號(hào)，修改所述開關(guān)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中，修改后的開關(guān)信號(hào)基于所確定的高壓開關(guān)序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中，所述前饋控制模塊被布置為應(yīng)用在所產(chǎn)生的輸入電壓與期望的輸出電壓之間的直接關(guān)系來產(chǎn)生所述前饋信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊被布置為將預(yù)定多項(xiàng)式值應(yīng)用于輸入電壓信號(hào)以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)，其中所述多項(xiàng)式值基于輸入電壓信號(hào)的改變和所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，還包括存儲(chǔ)模塊，所述存儲(chǔ)模塊被布置為存儲(chǔ)查找表，其中所述前饋控制模塊被布置為基于所述輸入電壓信號(hào)來應(yīng)用所述查找表中的值以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)，其中所述查找表中的值基于輸入電壓信號(hào)的改變和所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，還包括PID控制器模塊，其中所述前饋控制模塊將所產(chǎn)生的前饋信號(hào)提供給所述PID控制器以生成修改后的開關(guān)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊被布置為基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，檢測(cè)所述循環(huán)變流器的電源中的不連續(xù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊被布置為基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，檢測(cè)來自所述電源的電壓輸出的突然變化，其中所述變化高于預(yù)定義閾值。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊被布置為檢測(cè)與所述電源中的不連續(xù)相關(guān)的事件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊還被布置為監(jiān)視保持電路模塊，以檢測(cè)所述保持電路模塊是否已被激活。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的循環(huán)變流器，其中所述前饋控制模塊還被布置為監(jiān)視由所述保持電路模塊生成的保持電壓以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的循環(huán)變流器，其中所述循環(huán)變流器是半橋循環(huán)變流器。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的循環(huán)變流器，其中所述循環(huán)變流器是全橋循環(huán)變流器。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的循環(huán)變流器，其中所述循環(huán)變流器是高頻循環(huán)變流器。
16.一種控制三相諧振循環(huán)變流器的方法，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生用于取決于被布置為向所述循環(huán)變流器提供功率的電源的狀況來控制所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的前饋信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟基于三相輸入電壓，產(chǎn)生輸入電壓信號(hào)； 基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，產(chǎn)生所述前饋信號(hào)； 產(chǎn)生對(duì)所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的開關(guān)信號(hào)；以及 基于所產(chǎn)生的前饋信號(hào)，修改所述開關(guān)信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中修改后的開關(guān)信號(hào)基于所確定的高壓開關(guān)序列。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟應(yīng)用在所產(chǎn)生的輸入電壓與期望的輸出電壓之間的直接關(guān)系，以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟將預(yù)定的多項(xiàng)式值應(yīng)用于輸入電壓信號(hào)以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)，其中所述多項(xiàng)式值基于輸入電壓信號(hào)的變化和所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的函數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟存儲(chǔ)查找表；以及基于所述輸入電壓信號(hào)來應(yīng)用所述查找表中的值以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)，其中所述查找表中的值基于輸入電壓信號(hào)的變化和所述循環(huán)變流器的開關(guān)頻率的函數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟將所產(chǎn)生的前饋信號(hào)提供給PID控制器，以生成修改后的開關(guān)信號(hào)。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，檢測(cè)所述循環(huán)變流器的電源中的不連續(xù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟基于所產(chǎn)生的輸入電壓信號(hào)，檢測(cè)來自所述電源的電壓輸出的突然變化，其中所述變化高于預(yù)定義閾值。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括以下步驟檢測(cè)與所述電源中的不連續(xù)相關(guān)的事件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括以下步驟監(jiān)視保持電路，以檢測(cè)所述保持電路是否已被激活。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括以下步驟監(jiān)視由所述保持電路生成的保持電壓以產(chǎn)生所述前饋信號(hào)。
全文摘要
一種三相諧振循環(huán)變流器，該循環(huán)變流器包括前饋控制模塊，前饋控制模塊被布置為產(chǎn)生用于取決于被布置為向循環(huán)變流器提供功率的功率供給的狀況對(duì)循環(huán)變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的前饋信號(hào)。
文檔編號(hào)H02M7/217GK102986127SQ201180032896
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者M·J·哈里森, K·李, Y·法米利安特 申請(qǐng)人:伊頓工業(yè)公司