专利名称：用于升降压控制器的输入电流生成方案的制作方法
用于升降压控制器的输入电流生成方案
背景技术：
本发明涉及逆变型(inverter-type)电源供应器中的预调节器的控制，并且更具体地，涉及逆变型电源供应器的预调节器中的升降压(buck-boost)控制器。在逆变型电源供应器中，输入电压首先被整流并且然后经受逆变器部分中的高频开关操作。逆变器部分的输出经由变压器和整流器被转换为期望的电压。逆变器部分中的高频开关使得效率得以增加并且变压器的体积和重量可以被显著地减小。一般地，从设计的角度来说，期望的是将逆变器部分输入处的电压保持为相对恒定的电压。因此，为了在输入电压的范围(例如，230V至575V)操作电源供应器，可以在电源供应器的逆变器部分之前添加预调节器部分。预调节器被这样控制，以致逆变器部分的输入电压被保持为固定电压。
发明内容
在本发明的示例性实施方案中，用于升降压电路的控制电路包括电感器电流传感器、输入电流合成器、电流积分电路以及PWM控制器，所述PWM控制器提供所述升降压电路的输出与预先确定的设定值(setpoint)之间的差的PWM信号表示。所述输入电流合成器接收来自所述电感器电流传感器的信号并且发送合成电流信号至电流平均电路。电流平均电路取所述合成电流的平均并且发送表征平均合成电流的反馈信号至所述PWM控制器。在非限制性的实施方案中，所述电流平均电路包括积分电路来取所述合成电流的平均。进一步的实施方案是从如下的说明书、附图和权利要求书可以推知的。
在全面考虑附图中以图解方式被阐述的本发明的示例性实施方案的基础上，本发明的优点、性质和各种附加特征将更加明显，在所述附图中图1图示说明与本发明的示例性实施方案一致的电源供应器的框图。图2图示说明图1中所示的电源供应器中的预调整器的升降压电路的示例性实施方案。图3为图2中所示的示例性升降压控制器的框图。图4图示说明示例性PWM信号。图5为图3中所示的主PWM控制器的电路框图。图6为图3中所示的PWM分配器(PffM splitter)的框图。图7为图1中所示的输入电流合成器的框图。图8为针对图7的积分电路中的开关的时序图。图9图示说明使用与本发明一致的升降压控制器和输入电流生成器的三级电源
供应器。
具体实施例方式通过参照附图本发明将被更加详细地说明，这不以任何方式限制本发明的范围。图1图示说明被应用到三级电源供应器的本发明的示例性实施方案。然而，本发明的示例性实施方案还包括单级电源供应器。输入端子5接收例如从115伏特均方根值 (rms)至575伏特均方根值的输入电压范围。输入功率信号由整流器10整流，在该示例性实施方案中，整流器10包括二极管桥。然后，整流输出被发送到预调节器20。预调节器20被配置来在逆变器30的输入处针对各种输入电压提供相对恒定的预设电压Vdc。在该非限制性示意的实施方案中，预调节器的输出Vdc被设定在400伏特 DC。电容器25可以被用来储存能量，以致到逆变器30的功率流不会随负载变化而被打扰 (interrupted)。在所示的实施方案中，逆变器30为将其输入处的DC信号转换为AC信号的高频开关电路。逆变器30的输出由变压器40针对期望的应用变换为适当的电压，并且由输出整流电路50整流。作为实施例，图1示出电源供应器被用作DC焊机(welder)的应用。如图2中所示，在本发明的示例性实施方案中，预调节器20被配置为升降压电路。 预调节器20包括降压开关60、升压开关62、二极管64和66以及电感器68。降压开关60 和升压开关62可以为固态(solid-state)开关，例如IGBT或者M0SFET，并且这些开关由升降压控制器100控制，以将预调节器20的输出Vdc维持在期望的设定值。在非限制性的实施方案中，针对Vdc的该设定值可以为400伏特DC。在其他示例性实施方案中，针对Vdc 的设定值可以基于可操作的或期望的参数被设定为更高或更低。升降压控制器100接收表征来自输入电流生成器300的输入电流的信号，并且输出分别被发送到降压开关60和升压开关62的降压PWM信号265和升压PWM信号275。正如名称所暗示的，这些PWM信号为如图4中所图示说明的脉冲宽度调制信号。这些PWM信号的ON时间与周期的比率表征PWM信号的占空比。0 %的占空比表示PWM信号在所有时间都是OFF，而100%的占空比表示PWM信号在所有时间都是ON。如图3中所示，升降压控制器100包括主PWM控制器110和PWM分配器电路120。 主PWM控制器110可以是提供PWM信号的任何标准的商业上可获得的控制器。例如，在示例性示意实施方案中，其为升压型功率因数校正(PFC)控制器。主PWM控制器110输出控制预调节器20的主PWM信号115，以致其输出电压Vdc为期望的设定值。如果控制器110 还被配置来执行PFC (如在示例性实施方案中那样)，则主PWM信号115还将控制预调节器 20，以致输入电流波形匹配输入电压波形。为提供PFC控制，主PWM控制器110接收输入电压信号70、DC总线电压信号 74 (BP, Vdc)以及Vcur-in，所述Vcur-in表征到电源供应器的平均输入电流信号。如图5 中所示，DC总线电压信号74被发送到比较器80，比较器80的另一输入为与期望的设定值对应的参考电压。比较器80的输出为与偏离Vdc的设定值对应的误差信号Verr。误差信号Verr为乘法器(multiplier) 82的一个输入(输入A)。然后，乘法器82使用输入电压信号70修正误差信号Verr。在示例性实施方案中，乘法器82接收正弦参考信号(输入B) 和基于输入电压信号70的前馈信号(输入C)，并且输出修正误差信号MVerr，该修正误差信号MVerr是电流放大器84的一个输入。在示例性实施方案中，修正误差信号MVerr等于 A*B/C2。电流放大器84的另一输入是平均输入电流信号Vcur-in。电流放大器84用作标准放大器并且输出信号ERR，所述信号ERR与这两个输入之间的差成比例。电流放大器84 的输出通过PWM比较器86与来自振荡器的“锯齿”波信号进行比较。PWM比较器86的输出为主PWM信号115，该主PWM信号115为占空比与电流放大器84的输出成比例的方波。主 PWM控制器110的操作在本领域为公知的而将不会被进一步论述。因为来自主PWM控制器110的信号必须被用来控制降压开关60和升压开关62这二者，所以主PWM信号115必须被分为两个控制范围，每个开关一个范围。在示例性实施方案中，主PWM信号115范围是被等分的，即，一个开关在从主PWM信号115上0到50%的占空比被操作，并且另一个开关从50%到100%的占空比被操作。在示意的非限制性实施方案中，主PWM信号115上0到50%的占空比被用来控制降压开关60，并且50到100%的占空比被用来控制升压开关62。然而，在示例性实施方案中，降压开关60和升压开关62每个将接收0到100%的 PWM信号。在该实施方案中，主PWM信号115上的0到50%必须被转换为用于降压开关60 的0到100%的PWM信号。类似地，主PWM信号115上的50到100%必须被转换为用于升压开关62的0到100%的PWM信号。为实现这种转换，主PWM控制器110发送主PWM信号 115到PWM分配器120。如图6所示，PWM分配器120包括这样的算法(algorithms)，该算法将主PWM信号115分为分别控制降压开关60和升压开关62的降压PWM信号265和升压PWM信号270。 PWM分配器120包括PWM-数字转换器200、PWM计算模块220以及数字-PWM转换器260和 270。PWM-数字转换器200接收主PWM信号115并且将其转换为两个数字值。一个值 (PERIOD)表征PWM信号115的周期值，而另一个值(0FFTIME)表征该PWM信号为零值的时间量。PWM-数字转换器200包括计时器模块205和210来实现从PWM信号到数字值的转换。计时器模块210输入主PWM信号115和时钟信号215。计时器模块210通过对主 PWM信号115的一个周期(one cycle)上的来自时钟信号215的脉冲数目进行计数，来测量主PWM信号115的周期值，并且该测量值被输出为PERIOD。例如，计时器模块210可以对从主PWM信号115的一个上升沿到下一个上升沿的脉冲数目进行计数。为提供PERIOD的准确值，时钟信号115的频率被设定为远高于PWM信号115的频率。类似地，计时器模块205输入主PWM信号115和时钟信号215。然而，计时器模块205不是对所述周期值进行计数，而是在PWM信号的一个周期上该PWM信号为零值的时间期间对时钟脉冲进行计数。该数字值被输出为0FFTIME。0FFTIME和PERIOD被P丽计算(PWM-calc)模块220接收，该PWM计算模块220生成用于降压开关60的数字控制值 (BUCK-DIG)和用于升压开关62的数字控制值(BOOST-DIG)。这些数字控制值分别通过数字-PWM模块260和270被转换为降压PWM信号265和升压PWM信号275。如图7所示，输入电流生成器300输出电压信号Vcur-in，该电压信号为合成的且积分的信号，表征到电源供应器的平均输入电流。在示意的非限制性实施方案中，输入电流生成器300包括输入电流合成器301和电流积分电路302。输入电流合成器301包括选择器开关304和逆变器303。当选择器开关304为OFF (断开)时，在电阻器Rs处感测的电感器电流信号76经由电阻器Rl被发送到电流积分电路。当选择器开关304为0N(闭合)时，选择器开关304将Rl连接到地并且“零”信号被发送到电流积分电路302。然后，电流积分电路302在其输入处取该信号(即，电感器电流信号76或零信号)的平均并且输出电压信号Vcur-in。在示意的非限制性实施方案中，电流积分电路302包括电阻器R2、包括输入二极管310和312以及输出二极管311和313的二极管桥，电容器314和316、放电开关315和 317，以及计时器电路320。计时器电路320操作放电开关315和317来控制电容器314和 316的充电(积分)周期。具体地，放电开关315和317由计时器电路320控制，以致电容器314和316对控制升压开关62或降压开关60的PWM信号的每个周期内任何通过电阻器 R2的电流交替地进行积分。计时器电路320以与升降压控制器100相同的频率操作。因为电容器314和316在整个PWM周期进行积分，所以该周期结束时电容器上的电压表征在该特定周期期间输入电流的平均值。如图8所示，开关315或317随即被计时器电路320导通，以在各自的积分周期开始时使适合的电容器放电。放电后，放电的电容器为零伏特，并且因为放电的电容器比另一电容器的电压更低，所以任何通过电阻器R2的电流都将对其进行充电。输入二极管310和 312将确保，当一个电容器正在进行积分(充电)时，另一电容器上的电荷被“保持”恒定 (只要充电电容器上的电压低于“被保持的”电容器的电压)。输出二极管311和313确保 Vcur-in是这两个电容器电压中的较高者。当预调节器20在降压开关60为0N(闭合)时正以升压模式进行调节，电感器电流信号76与到电源供应器的输入电流相同，并且Vcur-in将表征到电源供应器的平均输入电流。然而，当预调节器20正以降压模式进行调节，降压开关60基于升降压控制器100的输出可以为0FF(断开)。当降压开关60断开时，到电源供应器的输入电流将为零，并且电感器电流将不表示输入电流。因此，输入电流生成器300必须被配置来当降压开关60被断开时不处理(disregard)电感器电流信号76。为实现这一点，输入电流生成器300使用降压PWN信号265控制选择器开关304。 当降压开关60被降压PWM信号265切换为ON (闭合)时，逆变信号经由逆变器302被发送到选择器开关304，并且选择器开关304被切换为0FF(断开)。该操作发送电感器电流信号76到电流积分电路302进行处理。类似地，当降压开关60被降压PWM信号265切换为OFF (断开)时，选择器开关304 被来自逆变器303的逆变信号切换为ON (闭合)。该操作将电感器电流信号76接至地，并且电流积分电路302接收并且处理“零”输入信号。因此，通过当降压开关60为ON时仅取电感器电流76的平均，在所有操作模式期间Vcur-in将准确地表征到电源供应器的平均输入电流。因为输入电流的平均值是被合成的，所以升降压电路的稳定操作仅需要一个控制环(control loop)。这消除了对其他控制环的需要，简化了控制电路并且减少了其开销。 此外，因为电感器电流被用在对平均输入电流信号进行合成和积分中，所以不需要昂贵的霍尔效应传感器(Hall-effect transducer)，这进一步减少了控制电路的开销。上述示例性实施方案使用两级电源供应器拓扑被论述。然而，根据本发明，还可以使用其他电源供应器拓扑。例如，图9示出被配置为三级电源供应器的电源供应器700。电源供应器的I级包括整流器710和预调节器720，该预调解器720为升降压型的DC-DC转换器。预调节器720可以选择性地执行功率因数校正。电源供应器700的II级为隔离式 DC-DC转换器730，该DC-DC转换器730将总线DC#1上的电压转换为适用于III级_2) 的电压。一般地，DC-DC转换器730包括逆变器、高频变压器以及整流电路来执行电压转换。 III级可以为提供被用于焊接的适合波形的斩波电路(斩波器740)。在图9中，DC-DC转换器720由升降压控制器750使用输入电流生成器760控制。升降压控制器750和输入电流生成器760各自的配置与本发明上面所论述的一致。 尽管本发明已经根据各种具体实施方式
被描述，本领域技术人员将意识到，本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实施。参考标号
5输入端子270升压PWM信号
10整流器275升压PWM信号
20预调节器300输入电流生成器
25电容器301输入电流合成器
30逆变器302电流整流电路
40变压器303逆变器
50输出整流电路304选择器开关
60降压开关310输入二极管
62升压开关311输出二极管
64二极管312输入二极管
66二极管313输出二极管
68电感器314电容器
70输入电压信号315放电开关
74DC总线电压信号316电容器
76电感器电流信号317放电开关
80比较器320计时器电路
82乘法器700电源供应器
84电流放大器710整流器
86PWM比较器720预调节器
100升降压控制器730DC-DC转换器
110主PWM控制器740斩波器
115主PWM信号750升降压控制器
120PWM分配器电路760输入电流生成器
200PWM-数字转换器
205计时器模块R2电阻器
210计时器模块
215时钟信号
220PWM计算模块
260数字-PWM转换器
265降压PWM信号
权利要求
1.一种用于升降压电路的输入电流生成器，所述输入电流生成器包括电流传感器，所述电流传感器输出表征所述升降压电路的电感器电流的电感器电流信号；输入电流合成器，所述输入电流合成器接收所述电感器电流信号并且基于所述升降压电路的操作模式输出表征所述电感器电流信号或者零信号的选择信号；以及电流平均电路，所述电流平均电路对所述选择信号进行积分并且输出积分电流信号， 所述积分电流信号表征到所述升降压电路的输入电流的平均。
2.如权利要求1所述的输入电流生成器，其中所述电流平均电路包括第一积分电路， 所述第一积分电路包括接收所述选择电流信号的第一输入二极管， 在预先确定的期间上对所述选择信号进行积分的第一电容器， 用于使所述电容器上的电荷放电的第一放电开关，以及接收所述第一电容器上的电压的第一输出二极管。
3.如权利要求1或2所述的输入电流生成器，其中所述电流平均电路包括第二积分电路，所述第二积分电路包括接收所述选择信号的第二输入二极管，在所述预先确定的期间上对所述选择电流信号进行积分的第二电容器， 用于使所述电容器上的电荷放电的第二放电开关，以及接收所述第二电容器上的电压的第二输出二极管，并且其中当所述第二电容器对所述选择信号进行积分时，所述第一积分电路保持所述第一电容器上的所述电荷，并且当所述第一电容器对所述选择信号进行积分时，所述第二积分电路保持所述第二电容器上的所述电荷。
4.如权利要求1至3之一所述的输入电流生成器，其中所述升降压电路的所述操作模式为降压开关的操作态，并且其中所述输入电流合成器包括选择器开关，所述选择器开关当所述降压开关被闭合时输出所述电感器电流信号并且当所述降压开关被断开时输出所述零信号。
5.一种电源供应器，所述电源供应器包括输入整流器，所述输入整流器将AC输入信号转换为整流的DC信号； 预调节器，所述预调节器基于预先确定的设定值将所述整流的DC信号转换为具有电压幅值的DC总线信号，所述预调节器包括升降压电路；输出电路，所述输出电路将DC总线信号转换为输出信号；控制电路，所述控制电路控制所述预调节器，所述控制电路包括PWM控制器，所述PWM 控制器提供所述预先确定的设定值与所述DC总线信号之间的差的PWM信号表示；以及输入电流生成器，所述输入电流生成器包括电流传感器，所述电流传感器输出表征所述升降压电路的电感器电流的电感器电流信号，输入电流合成器，所述输入电流合成器接收所述电感器电流信号并且基于所述升降压电路的操作模式输出表征所述电感器电流信号或者零信号的选择信号，以及电流平均电路，所述电流平均电路对所述选择信号进行积分并且输出积分电流信号，所述积分电流信号表征到所述升降压电路的输入电流的平均。
6.如权利要求5所述的电源供应器，其中所述电流平均电路包括第一积分电路，所述第一积分电路包括接收所述选择电流信号的第一输入二极管，在预先确定的期间上对所述选择信号进行积分的第一电容器，用于使所述电容器上的电荷放电的第一放电开关，以及接收所述第一电容器上的电压的第一输出二极管。
7.如权利要求5或6所述的电源供应器，其中所述电流平均电路包括第二积分电路，所述第二积分电路包括接收所述选择信号的第二输入二极管，在所述预先确定的期间上对所述选择电流信号进行积分的第二电容器，用于使所述第二电容器上的电荷放电的第二放电开关，以及接收所述电容器上的电压的第二输出二极管，并且其中当所述第二电容器对所述选择信号进行积分时，所述第一积分电路保持所述第一电容器上的所述电荷，并且当所述第一电容器对所述选择信号进行积分时，所述第二积分电路保持所述第二电容器上的所述电荷。
8.如权利要求5至7之一所述的电源供应器，其中所述升降压电路的所述操作模式是所述升降压电路中的降压开关的操作态，并且其中所述输入电流合成器包括选择器开关，所述选择器开关当所述降压开关被闭合时输出所述电感器电流信号，并且当所述降压开关被断开时输出零信号。
9.如权利要求5至8之一所述的电源供应器，其中所述积分电流信号是到所述PWM控制器的输入信号。
全文摘要
一种用于升降压电路(60、62、64、66、68)的控制电路，所述控制电路包括指示电流传感器(Rs)以及输入电流生成器(300)。所述输入电流生成器(300)接收来自所述电感器电流传感器(Rs)的信号并且输出表征到所述升降压电路的平均输入电流的合成的且积分的信号(Vcur-in)。所述输入电流生成器(300)基于所述升降压电路中的所述降压开关(60)的状态(265)取所述电感器电流信号或者零信号的平均(302)。
文档编号H02M3/158GK102414971SQ201080018294
公开日2012年4月11日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月3日
发明者P·沃勒, T·E·库肯 申请人:林肯环球股份有限公司