[发明专利]功率变换器及其克服振荡的方法

说明书

本发明总的来说涉及功率变换器，特别涉及具有产生量化占空因数的数字控制环路的直流-直流功率变换器。

具有显数字控制系统的直流-直流功率变换器在运行时会产生一些在普通的具有模拟控制环路的功率变换器中不会遇到的问题。虽然已知使用一个用于电源的电流模式内控制环等同于一个具有延迟且得到无数的零点的取样系统，但这些作用只是在约等于转换频率一半的频率处、即在大体上高于带宽的频率处才是重要的。从另一方面来说，变换器脉宽的量化对于所有频率都是重要的，因此不能用模拟近似法来准确地对其进行模拟。

脉宽量化导致非常规的变换器运行状态。例如，如果闭合控制环路的模拟部分受到干扰，如果该干扰小到不会使脉宽调制器(PWM)的占空因数显著增大，则数字控制器产生的占空因数将不受影响。即足够小的干扰可被认为具有零增益(-∞dB)。

对于干扰具有足以扰乱控制环路的振幅的情形，可以如下地对非常规运行状态的另一实例进行概念化。假定控制环路中有模拟正弦干扰，再假定该干扰具有足够大的振幅，从而使占空因数每一个周期一次地从第一量化阶梯增大至紧接的第二量化阶梯，然后在该周期的剩余时间内减小而返回到第一量化阶梯。由于输出电压由输入电压与占空因数的乘积来给出，所以输出电压中的量化阶梯也将每一个周期出现一次。控制环路将试图校正输出电压的这种变化。但是，控制环路不能以比其带宽高的速率进行这一校正。因此，如果干扰的频率大于闭环带宽，则整个系统将在这一带宽下发生振荡，试图校正干扰。这种主要因数字控制环路中固有的占空因数量化造成的振荡在此称为数字振荡。

如果作为基准电压和输入电压的函数的输出电压振幅(对于反向变换器(buck converter))不是正好等于可能的占空因数之一的话，也会出现数字振荡。在这种情况下，系统将检测出例如电压太低，于是将占空因数增大到下一个量化阶梯。系统然后又检测出电压太高，于是将占空因数减小为原来的阶梯。这些校正过程以带宽频率而周期地发生，因此也导致了数字振荡。

反之，当干扰足够大时，显然占空因数的量化就变得不引人注意了，系统就可以很好地用连续占空因数和常规的模拟运行状态来近似，即变换器系统显示出相位和增益裕度。

总之，在实现具有数字控制环路的功率变换器时，除了普通模拟类型的稳定性外，还需要解决两种稳定性的问题。这两种稳定性的问题就是：(a)因噪声注入引起的数字振荡，和(b)因输出电压设置值和可用(量化)占空因数之间的失配引起的振荡。第一种稳定性与电源的工作点无关，但第二种稳定性依赖于输入和输出电压，还依赖于可能的占空因数的数目。

C．P．Henze的关于量化占空因数功率变换器的美国专利4630187和4725940、和Brunk等人的关于输出具有粗和细量化的转换控制信号的微处理控制的直流-直流变换器的美国专利5272614可作为参考文献。

本发明的一个目的是提供一种稳定功率变换器克服由于输出电压设定点与多个量化的占空因数中可获得的一些之间失配而引起的振荡的方法，以克服上述和其它问题。

本发明的另一个目的是提供一种实施这种方法的功率变换器。

本发明的一个方面，一种稳定功率变换器以克服因输出电压设置值与可用的多个量化占空因数之一之间的失配所引起的振荡的方法，包括以下步骤：

产生用于表示所需输出电压设置值的基准电压；

将基准电压与功率变换器的实际输出电压进行比较来获得误差信号；

根据误差信号来改变第一脉宽调制控制信号的脉宽，该第一脉宽调制控制信号具有第一频率；

将第一脉宽调制控制信号变换成为至少一个第二脉宽调制控制信号以便改变变换器转换装置的导通时间，从而使实际输出电压与所需输出电压一致，该变换步骤包括将脉宽量化为多个量化占空因数之一的步骤；以及

注入高频抖动信号以使其出现在误差信号中，该高频抖动信号具有小于第一频率及大于功率变换器带宽频率的第二频率，该高频抖动信号的作用是有效地将可能的占空因数的数目增加到由第二频率与带宽频率之比确定的倍数。

在本发明的一个所示实施例中，高频抖动信号的频率是第一频率的四分之一，并至少比带宽频率大一个数量级。

本发明的另一个方面，一种功率变换器，其特征在于，包括：

产生用于表示所需输出电压设置值的基准电压的装置；

用于将基准电压与功率变换器的实际输出电压进行比较以便获得误差信号的装置；