用于多相轉(zhuǎn)換器的控制器與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及控制多相功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器，并且特別地涉及適應性地交錯多個多相PFC轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]通常公知的是使用PFC裝置用于主動地校正開關(guān)式電源(SMPS)的功率因數(shù)，開關(guān)式電源用于供應電子設備(例如計算機、電視、監(jiān)視器等)以及諸如熒光燈之類的照明裝置。典型的SMPS包括全波二極管整流器橋，其具有連接到AC功率分配線的輸入和連接在下游的電容器，從而根據(jù)AC供電電壓產(chǎn)生DC電壓。與DC電平相比，電容器具有足夠大的電容，使得相對小的紋波出現(xiàn)在其端子處。因此，電橋的整流器二極管將僅在供電電壓的每個半周期的短部分上導通，因為其瞬時值在周期的大部分上小于電容器的電壓。結(jié)果是從電力線吸收的電流包括一系列短脈沖，其幅度是所產(chǎn)生的平均值的5-10倍。
[0003]這具有明顯的結(jié)果:
[0004]從電力線吸收的電流具有遠高于正弦電流吸收的情況的峰值和rms(均方根)值，
[0005]由于連接到電力線的所有公用設施幾乎同時脈沖吸收，供電電壓失真，
[0006]在三相體系的情況下中性導體中的電流極大地提高，以及
[0007]較少使用電力系統(tǒng)的能量潛力。
[0008]事實上，脈沖電流的波形包括許多奇次諧波，雖然不構(gòu)成提供至負載的電力，但是它們增加了由電力線吸收的rms電流，并因此增加了能量耗散。
[0009 ]在數(shù)量上，這可以用功率因數(shù)(PF)和總諧波失真(THD)表示，功率因數(shù)是實際功率(電源發(fā)送至負載的功率加上在其中以熱量形式耗散的功率)與視在功率(rms電壓與吸收的rms電流的乘積)的比值，總諧波失真通常是與所有較大諧波相關(guān)的能量與基波相關(guān)的能量的百分比。通常，具有電容濾波器的電源具有0.4和0.6之間的PF和比100%高的THD。設置在整流器橋和輸出之間的PFC允許從網(wǎng)絡吸收準正弦并與電壓同相的電流，因而使PF接近I并降低了 THD。
[0010]圖1示出了單相PFC轉(zhuǎn)換器20和控制裝置22的示意圖?？刂蒲b置22可具有可變頻率并可以在連續(xù)(CCM)和不連續(xù)(DCM)模式之間操作，通常被稱為“過渡模式”(TM)。輸入電壓(Vin)從全波二極管整流器橋24的電壓供應端子被提供給轉(zhuǎn)換器20。整流器橋24的第二端子又連接到接地端子。整流器橋24接收由交流(AC)電源26所提供的輸入供電電壓。轉(zhuǎn)換器20可以被實施為升壓轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器20包括變壓器的電感28、金屬氧化物半導體(MOS)功率晶體管30以及二極管32。電感28的第一端子連接到整流器橋24的電壓供應端子，并且晶體管30的漏極端子連接到電感28的在第一端子的下游的第二端子。另一方面，晶體管30的源極端子經(jīng)由電阻器34連接到接地端子。
[0011]二極管32具有連接到電感28的第二端子的陽極。此外，二極管32具有連接到輸出電容器36的第一端子的陰極，輸出電容器36具有連接到接地端子的另一端子。轉(zhuǎn)換器20產(chǎn)生輸出電容器36兩端的直流(DC)輸出電壓(標記為Vout)，由此Vout高于Vin的最大峰值電壓供應。
[0012]控制裝置22使用反饋控制使輸出電壓Vout保持在常數(shù)值。在過渡模式中，高效轉(zhuǎn)換通過在零電壓和零電流條件下轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。圖1的控制裝置22被示為具有四個輸入端口和一個輸出端口。四個輸入端口包括接收由整流器橋24所提供的輸入電壓的輸入電壓端口38、接收由轉(zhuǎn)換器20所提供的輸出電壓的輸出電壓端口 40、過零檢測(ZCD)端口 42、以及電流感測(CS)端口 44。Z⑶端口 42電耦合到包括電感28的變壓器的輔助繞組46，并用于感測通過電感28的電流何時達到O安培。CS端口 44用于監(jiān)測通過晶體管30的電流。
[0013]控制裝置22的作為柵極驅(qū)動(GD)端口的輸出端口48使晶體管30導通和斷開，因此控制轉(zhuǎn)換器20的操作?？刂蒲b置22可以說是一種變頻控制裝置，因為切換晶體管30的頻率以及相應的切換周期都是基于由轉(zhuǎn)換器20的操作觸發(fā)的外部事件。然而，通過確保晶體管30在接近電感28的零電流時導通，實現(xiàn)了高效操作。
[0014]此外，控制裝置22可以是恒定導通時間(COT)類型的。在恒定導通時間操作中，轉(zhuǎn)換器20的功率晶體管30的導通周期被用作控制變量，并且在電壓供應的每一個周期期間，它被保持恒定在適當值，以便從轉(zhuǎn)換器20獲得電壓輸出的調(diào)節(jié)。
[0015]圖2示出了當Vin小于Vout的一半和大于Vout的一半時圖1的電路信號的時序圖。如在圖的左側(cè)可以看到，當Vin小于Vout的一半時，晶體管30導通超過切換周期Tsw長度的一半。然而，通過設置VGS(柵極電壓)為零，晶體管30斷開切換周期的剩余時間。晶體管30在滿足過零條件(或ZCD電壓降到閾值以下)之后再次重新導通。類似的操作在圖2的右側(cè)顯示，其中晶體管30的導通時間更短，因為所需要的輸出電壓較少。
[0016]轉(zhuǎn)換器20的特征在于，通過電感28和輸入和輸出端子的高電流紋波。電流紋波可以在多相并聯(lián)轉(zhuǎn)換器中顯著減少，其中實施為升壓轉(zhuǎn)換器的兩個轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接以提供輸出電壓。電流紋波的減少產(chǎn)生自將兩個并聯(lián)轉(zhuǎn)換器相對于彼此異相操作，由此來自轉(zhuǎn)換器的紋波彼此抵消。當升壓轉(zhuǎn)換器操作于180度的相位差時，產(chǎn)生最大的減少量。
[0017]圖3示出了總體控制器60的示意圖，其包括兩個轉(zhuǎn)換器64a、64b和多相控制裝置62。應當注意，雖然兩個轉(zhuǎn)換器64a、64b在圖3示出，但是可以使用不同數(shù)量的轉(zhuǎn)換器。此外，轉(zhuǎn)換器64a、64b類似于參考圖1描述的轉(zhuǎn)換器20，由此每個轉(zhuǎn)換器64a、64b可以是升壓轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器64a、64b經(jīng)由連接到AC電源26的整流器橋24而被提供有電壓。轉(zhuǎn)換器64a、64b的配置類似于轉(zhuǎn)換器20，由此每個轉(zhuǎn)換器64a、64b分別包括變壓器的電感66a、66b、晶體管68a、68b、二極管70a、70b，以及電阻器72a、72b。每個變壓器具有輔助繞組65a、65b，使用其檢測過零條件。
[0018]此外，轉(zhuǎn)換器64a、64b并聯(lián)連接到通過整流器橋24輸出的直流電壓(Vin)，以及在其兩端獲得輸出電壓(Vout)的輸出電容器36。
[0019]多相控制裝置62分別通過柵極驅(qū)動端口74a、74b對晶體管68a、68b的導通進行時序，控制轉(zhuǎn)換器64a、64b的操作。注意，作為使用一個多相控制裝置62來控制兩個轉(zhuǎn)換器64a、64b的替代方式，多個單相控制裝置可用于導通晶體管68a、68b。
[0020]保持轉(zhuǎn)換器64a、64b完全不同步并隔開180度操作的常規(guī)方法包括允許一個轉(zhuǎn)換器(例如，第一轉(zhuǎn)換器64a)操作為好像它是單相轉(zhuǎn)換器。當檢測到電感66a的過零條件時，第一轉(zhuǎn)換器64a的第一晶體管68a被導通，并且在后來的時間段被關(guān)斷。
[0021]同時，第二轉(zhuǎn)換器64b在第一轉(zhuǎn)換器64a的切換周期的一半(即導通第一晶體管68a之后的半周期)時導通，其與第二轉(zhuǎn)換器64b是否已經(jīng)達到過零條件無關(guān)。然而，此方法具有缺點:因為第二晶體管68b可以在電流非零時導通。此外，已經(jīng)注意到，此方法可能使某些條件不穩(wěn)定。
[0022]另一常規(guī)方法需要利用鎖相環(huán)(PLL)來保持轉(zhuǎn)換器64a、64b對180度的相位差同步。控制裝置用于檢測轉(zhuǎn)換器64a、64b的導通時刻，而且如果它們沒有隔開180度，PLL改變轉(zhuǎn)換器64a、64b的導通時間，使它們回到同相。然而，PLL需要一些時間進行鎖相，特別是因為轉(zhuǎn)換器64a、64b在不斷地改變頻率。
【實用新型內(nèi)容】
[0023]本實用新型的實施例旨在提供使兩個轉(zhuǎn)換器完全不同步并且隔開180操作的控制器及其系統(tǒng)，并且能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
[0024]—種系統(tǒng)可以總結(jié)為包括:具有第一功率晶體管的第一升壓轉(zhuǎn)換器;具有第二功率晶體管的第二升壓轉(zhuǎn)換器；以及多相控制器，其包括:配置為產(chǎn)生第一柵極驅(qū)動信號以導通第一升壓轉(zhuǎn)換器的第一功率晶體管的第一階段控制器;延遲元件，其配置為通過將第一柵極驅(qū)動信號延遲半個周期長度而產(chǎn)生延遲信號；時間差檢測元件，其配置為響應于確定過零檢測(Z⑶)信號在延遲信號確立(assert)之前被確立，輸出導通命令，導通命令是ZCD信號和延遲信號的邏輯與，當被確立時，ZCD信號表示第二升壓轉(zhuǎn)換器的一個或多個零電流條件被滿足;并且響應于確定ZCD信號在延遲信號確立之前不被確立，輸出導通命令，導通命令是ZCD信號；以及第二階段控制器，其配置為:確立第二柵極驅(qū)動信號以響應于導通命令導通第二升壓轉(zhuǎn)換器的第二功率晶體管。
[0025]時間差檢測元件可以進一步配置為:確定ZCD信號的確立和延遲信號的確立之間的時間差;并輸出該時間差。
[0026]系統(tǒng)還可包括:誤差控制塊，其配置為接收時間差并基于該時間差補償?shù)谝簧龎恨D(zhuǎn)換器或第二升壓轉(zhuǎn)換器的導通時間，并使第一和第二階段控制器以半個周期相位差分別驅(qū)動第一升壓轉(zhuǎn)換器和第二升壓轉(zhuǎn)換器。
[0027]調(diào)整導通時間還可包括:增加第二升壓轉(zhuǎn)換器的導通時間。第一升壓轉(zhuǎn)換器還可包括:第一電感，其具有電親合到電源端子的第一端子，以及第二端子;輸出電容器;第一二極管，其具有電耦合到第一電感的