專利名稱：一種脈沖寬度調(diào)制器及采用該調(diào)制器的升壓型變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖寬度調(diào)制，具體涉及在例如功率變換器中使用的 脈沖寬度調(diào)制器。
背景技術(shù)：
對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)占空比控制下的升壓型開(kāi)關(guān)電力變換器，在電流連續(xù)導(dǎo)通運(yùn)行模式下，輸出電壓Vo是輸入電壓Vin及占空比D的函數(shù) Vo=Vin/(l-D)。因?yàn)閂o直接與Vin成比例，所以開(kāi)環(huán)的電源電壓調(diào)整 率很差。并且，因?yàn)樯龎盒妥儞Q器的轉(zhuǎn)化率Vo/Vin對(duì)于占空比D而言 是非線性的，所以小信號(hào)模型控制對(duì)輸出傳遞函數(shù)的增益取決于運(yùn)行 點(diǎn)。特別是在DC/AC升壓型逆變器的應(yīng)用中，用傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)P麗控制 方式(包括電流模式控制)，在寬輸入范圍情況下交流輸出具有嚴(yán)重 的信號(hào)失真度。為了解決上述非線性問(wèn)題，刊登在IEEE Transactions on Power Electronics第12巻2期(1997年3月)第361-368頁(yè)的B. ArbeUer 等所著的"Feed-Forward Pulse-Width Modulators for Switching Power Converters"(開(kāi)關(guān)功率變換器用的前饋式脈寬調(diào)制器)披露了 一種前饋式脈寬調(diào)制器。該調(diào)制器通過(guò)在電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中將輸入電 壓與反饋環(huán)路相結(jié)合，改善了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，該方案需要在 控制回路中采用一個(gè)或幾個(gè)積分電路，以產(chǎn)生鋸齒載波信號(hào)。此外， 需要一個(gè)單獨(dú)的振蕩器來(lái)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)時(shí)鐘。它們要么是下降沿調(diào)制或者上升沿單邊調(diào)制，這些單邊調(diào)制在負(fù)載響應(yīng)和補(bǔ)償上有局限性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供能夠克服以上問(wèn)題的脈沖寬度調(diào)制器和功率 變換器。為此，本發(fā)明在第一方面提供一種脈沖寬度調(diào)制器，包括第一放大 器和第二放大器，還包括正輸入端，負(fù)輸入端，控制端和輸出端，其中第一電阻的一端連接在第一放大器的負(fù)輸入端，第二電阻的一端連 接在第 一放大器的正輸入端，第三電阻連接在第 一放大器的負(fù)輸入端 和輸出端之間，第四電阻連接在第 一放大器的正輸入端和第二放大器 的輸出端之間，第二放大器連接成電壓跟隨形式，第五電阻連接在第 一放大器的輸出端和第二放大器的正輸入端之間，電容連接在第二放 大器的正輸入端和地之間，調(diào)制器的輸出端和第二放大器的正輸入端 相連，調(diào)制器的正輸入端和負(fù)輸入端分別為第一電阻的另一端和第二 電阻的另一端提供相反的電壓，其中通過(guò)改變控制端的控制信號(hào)，調(diào)制 器的正輸入端和負(fù)輸入端為第 一 電阻的另 一端和第二電阻的另 一端提 供的電壓在高電壓和低電壓之間交替變化。在第二方面，本發(fā)明提供一種升壓型電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括 如第一方面所述的脈沖寬度調(diào)制器，還包括第四比較器和第三放大器， 其中，第四比較器的負(fù)輸入端和轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，正輸入端連接調(diào)制器的輸出端，輸出端為轉(zhuǎn)換器提供占空比控制；其中，第三放大器的 負(fù)輸入端和轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，正輸入端連接參考電壓，輸出端連 接調(diào)制器的正輸入端電壓。本發(fā)明采用雙邊調(diào)制P麵配置，沒(méi)有使用任何積分器和時(shí)鐘振蕩 器。本發(fā)明的系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)，具有更快的響應(yīng)和優(yōu)化了的信號(hào) 失真率?？梢栽谀M集成電路中簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現(xiàn)，適用于大多數(shù)的 占空比控制的開(kāi)關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換器。


下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的P麗調(diào)制鋸齒波發(fā)生器的示意框圖； 圖2是PBH周制的波形圖；圖3是采用P西控制的直流/直流或者直流/交流升壓型變換器；以及圖4是用本發(fā)明P麗控制和傳統(tǒng)電壓型PWM控制的升壓型直流/交 流逆變器交流輸出電壓仿真波形比較。
具體實(shí)施方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制(P麗調(diào)制)載波發(fā)生器的示意 框圖。如圖1所示，P而調(diào)制載波發(fā)生器有一個(gè)輸入電壓正端V+, —個(gè)負(fù)端V-，輸出電壓端Vr以及控制端SW。 PWM調(diào)制載波發(fā)生器包括放大器 110,放大器120和二位開(kāi)關(guān)130。放大器110是一個(gè)運(yùn)算放大器。電阻R1連接在放大器110的負(fù)輸 入端和二位開(kāi)關(guān)130的一個(gè)輸出端之間；電阻R2連接在放大器110的 正輸入端和二位開(kāi)關(guān)130的另一個(gè)輸出端之間。放大器110的負(fù)輸入 端和輸出端之間連接有電阻R3。二位開(kāi)關(guān)130的一個(gè)輸入端和輸入電壓正端V+相連，二位開(kāi)關(guān)的 另一個(gè)輸入端和輸入電壓負(fù)端V-相連。在二位開(kāi)關(guān)130的控制下，正、 負(fù)電壓分別通過(guò)電阻Rl和R2,交替作用于放大器110的正輸入端和負(fù) 輸入端。工作時(shí)，當(dāng)SW-1時(shí)，開(kāi)關(guān)130切換到位置1，將V-端的電壓 通過(guò)電阻Rl傳送到放大器110的負(fù)端，V+端的電壓通過(guò)電阻R2傳送 到放大器110的正端；當(dāng)SW-O時(shí)，開(kāi)關(guān)130切換到位置2，將V+端的 電壓通過(guò)電阻R1接到放大器110的負(fù)端，V-端的電壓通過(guò)電阻R2接 到放大器110的正端。從而，通過(guò)SW信號(hào)的改變，開(kāi)關(guān)130交替向放 大器IIO提供方向相反的電壓信號(hào)。需要指出，開(kāi)關(guān)130不限于圖1 所示的形式，可以采用其它各種開(kāi)關(guān)部件實(shí)現(xiàn)。放大器120連接成電壓跟隨器形式，即輸出端和負(fù)輸入端相連。放 大器120的正輸入端即為輸出電壓端，它經(jīng)電容C接地。放大器IIO的正輸入端和放大器120的輸出端之間連接有電阻R5。放大器110的輸出端和放大器12 0的正輸入端之間連接有電阻R 4 。在本例中，Rl, R2， R3和R4具有相同的阻^t。在另一個(gè)例子中， Rl和R2具有相同阻值，R3和R4具有相同的阻值。在進(jìn)一步的例子中， Rl和R3阻值之比與R2和R4之比需要相等。在工作中，通過(guò)SW信號(hào)控制二位開(kāi)關(guān)130并且將其切換到不同位 置，電壓Vc對(duì)電容C充放電。當(dāng)電壓Vr處于參考電壓低坎值(一般是地電平)時(shí)，開(kāi)關(guān)被接于 位置l,電容會(huì)以電流i-Vc/R充電。當(dāng)電壓Vr高于控制電壓信號(hào)Vc 時(shí)，開(kāi)關(guān)接到位置2，電容C通過(guò)電流i—c/R放電。繼而，電容C產(chǎn) 生一個(gè)鋸齒波形Vr。如果電壓Vc是一個(gè)幅度變化的函數(shù)P (),則Vr成為一個(gè)幅度可 變的鋸齒波形Vr。鋸齒波信號(hào)Vr可以用于和一個(gè)電壓Vg比較而產(chǎn)生一個(gè)PWM占空比 來(lái)控制功率變換器。采用這種鋸齒發(fā)生器，鋸齒波的時(shí)鐘頻率固定， 只由R和C決定，開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘頻率是fosc-l/(2RC)。由此，本發(fā)明產(chǎn) 生了 一種全新的PWM調(diào)制，如圖2所示。這種PWM調(diào)制是一個(gè)雙邊調(diào)制方式，它比單邊上升沿調(diào)制和下降沿 調(diào)制方式在負(fù)載響應(yīng)和補(bǔ)償方面都有很多優(yōu)勢(shì)。這種脈寬調(diào)制技術(shù)發(fā) 明之所以叫做"自定義的P麗"，是因?yàn)檫@種調(diào)制方式可以應(yīng)用到大多 數(shù)的功率變換器結(jié)構(gòu)，比如降壓型(Buck)，升壓型(Boost)，升降 壓型(Buck-Boost),橋式，Cuk, SEPIC， Watkin-Johnsons等電路 結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明， 一個(gè)通用的調(diào)制函數(shù)格式是D或者D，=Q ( ) /P ()， 用戶可以根據(jù)不同的功率變換器結(jié)構(gòu)選擇Q ()和P ()來(lái)調(diào)制占空比 D。這里，Vg=Q ()。圖3顯示一個(gè)用本發(fā)明PWM調(diào)制進(jìn)行控制的升壓型直流/直流轉(zhuǎn)換器或者直流/交流逆變器。如圖3所示，Vs是輸入電源，它提供輸入電壓Vin。電感L，功率 場(chǎng)效應(yīng)管(M0SFET) 302，功率肖特基二極管D,和輸出濾波電容。組 成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的升壓型功率變換器。當(dāng)M0SFET管302導(dǎo)通時(shí)，電感L通過(guò)輸入電源存l諸能量，電感電 流線性增加，L*AI=Vin*t。n,其中U是功率M0SFET管302的導(dǎo)通時(shí)間。 當(dāng)功率M0SFET管302關(guān)斷時(shí)，電感存儲(chǔ)的能量通過(guò)肖特基二極管D輸 出給負(fù)載304，電感電流通過(guò)二極管續(xù)流并減小，L*AI=(Vout + Vd-Vin)*t。ff,這里Vd是二極管的電壓降。在穩(wěn)定狀態(tài)下，在U期間 電流的變化(增加值)等于在t。ff期間電流的變化(減小值)。因此，有下列等式成立Vout-Vin〃l-D)-Vd ( 1 )其中，D是充電時(shí)間與總時(shí)間周期之比。 輸出電壓可以通過(guò)控制占空比D來(lái)加以控制。 在圖3中，載波發(fā)生器320，比較器330和比較器340， RS觸發(fā)器 360構(gòu)成本發(fā)明的P麵調(diào)制器。其中，載波發(fā)生器320是圖l所示的載波發(fā)生器，可以產(chǎn)生具有固定時(shí)鐘頻率的鋸齒載波信號(hào)Vr。運(yùn)算放大和補(bǔ)償器350構(gòu)成輸出的閉環(huán)反饋回路，輸出提供給PWM 調(diào)制器的控制電壓Vc。比較器330,比較器340和RS觸發(fā)器360將載波發(fā)生器320的輸 出信號(hào)Vr和控制電壓Vc進(jìn)行比較來(lái)控制開(kāi)關(guān)SW。當(dāng)Vr小于Vc時(shí)， 產(chǎn)生電平為低的SW信號(hào)；當(dāng)Vr大于Vc時(shí)，產(chǎn)生電平為高的SW信號(hào)。 在該SW信號(hào)的作用下，載波發(fā)生器320產(chǎn)生具有固定時(shí)鐘頻率的鋸齒 載波信號(hào)Vr。比較器310對(duì)載波發(fā)生器320產(chǎn)生的三角載波和輸入電壓Vin進(jìn)行 比較，產(chǎn)生控制功率變換器的占空比D。比較器310產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng) 門(mén)驅(qū)動(dòng)器370作用于功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 302。這構(gòu)成了輸入電壓 的一個(gè)前饋控制。根據(jù)前述的調(diào)制原理，占空比D-Vin/Vc。結(jié)合前文的等式(l), 輸出Vout = Vc。當(dāng)Vref輸入恒定電壓時(shí)，圖3的電路構(gòu)成升壓型直流/直流轉(zhuǎn)換器， 當(dāng)Vref輸入交流小信號(hào)時(shí)，圖3的電路構(gòu)成直流/交流逆變器。通過(guò)比較輸入電壓和鋸齒載波，可以提高可調(diào)電源的抗干擾性，防 止輸入電壓的波動(dòng)和瞬態(tài)變化傳遞到輸出側(cè)。載波信號(hào)是通過(guò)一個(gè)閉 環(huán)控制輸出的控制電壓產(chǎn)生的，能夠抵消輸入電壓變化的影響，根據(jù) 運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化地采用輸入V in前饋信號(hào)和輸出反饋信號(hào)結(jié)合的方式， 突出了這種控制模式的優(yōu)越性。在直流/交流升壓型逆變器應(yīng)用，采用本發(fā)明可以減低輸出電壓信 號(hào)畸變和得到較好的線性度，特別是在寬范圍輸入的應(yīng)用中。圖4顯示比較了采用本發(fā)明PB1調(diào)制控制CPWM和采用傳統(tǒng)電壓模 式P西調(diào)制控制GP麗的變換器交流輸出電壓仿真波形。從圖中可見(jiàn)， 在Vc為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下，GP窗方式下變換器輸出信號(hào)不是正弦 波，這表明其存在非線性關(guān)系。而CP麗方式下變換器則展現(xiàn)較為標(biāo)準(zhǔn) 的正弦波。本發(fā)明在升壓型功率轉(zhuǎn)換器上的應(yīng)用具有下列優(yōu)點(diǎn) 1.結(jié)合前饋和反饋環(huán)來(lái)減少電源輸入對(duì)輸出的干擾。在電流連續(xù) 導(dǎo)通工作模式下系統(tǒng)是線性的，改進(jìn)了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)， 使輸出電壓畸變和波動(dòng)最小化，反饋回路很容易補(bǔ)償，而且具有固定的DC反饋環(huán)增益。2. 本發(fā)明的PWM可以用在大多數(shù)的占空比控制的功率轉(zhuǎn)換電路結(jié) 構(gòu)中，在集成電路中的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且廉價(jià)。3. 自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，不需要特別的時(shí)鐘生成電路，固定的時(shí)鐘 頻率可以減少電磁干擾。4. 以簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)了雙邊脈寬調(diào)制，該調(diào)制方式具有所有的雙邊 調(diào)制優(yōu)于上升沿/下降沿調(diào)制所固有的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在降壓型(BUCK ),升壓型或升降壓(Buck-Boost ) DC/DC、 DC/AC變換器，功率因數(shù)校正集成電路控制器，LED驅(qū)動(dòng)器中。顯而易見(jiàn)，在此描述的本發(fā)明可以有許多變化，這種變化不能認(rèn)為 偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，所有對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的改 變，都包括在本權(quán)利要求書(shū)的涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖寬度調(diào)制器，包括第一放大器和第二放大器，還包括正輸入端，負(fù)輸入端，控制端和輸出端，其中第一電阻的一端連接在第一放大器的負(fù)輸入端，第二電阻的一端連接在第一放大器的正輸入端，第三電阻連接在第一放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間，第四電阻連接在第一放大器的正輸入端和第二放大器的輸出端之間，第二放大器連接成電壓跟隨形式，第五電阻連接在第一放大器的輸出端和第二放大器的正輸入端之間，電容連接在第二放大器的正輸入端和地之間，調(diào)制器的輸出端和第二放大器的正輸入端相連，調(diào)制器的正輸入端和負(fù)輸入端分別為第一電阻的另一端和第二電阻的另一端提供相反的電壓，其中通過(guò)改變控制端的控制信號(hào)，調(diào)制器的正輸入端和負(fù)輸入端為第一電阻的另一端和第二電阻的另一端提供的電壓在高電壓和低電壓之間交替變化。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其特征在于第一電阻與第三電阻的阻值比等于第二電阻和第四電阻的阻值比。
3. 如權(quán)利要求2所述的脈沖寬度調(diào)制器，其特征在于第一電阻，第 二電阻，第三電阻和第四電阻的阻值相等。
4. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其特征在于包括第一比較 器，第二比較器和RS觸發(fā)器，第一比較器的負(fù)輸入端和第二比較器的 正輸入端與調(diào)制器的正輸入端相連，第一比較器的正輸入端和第二比 較器的負(fù)輸入端與調(diào)制器的輸出端相連，第 一比較器和第二比較器的 輸出端分別和RS觸發(fā)器的S輸入端和R輸入端相連，RS觸發(fā)器的輸出 端提供所述控制端的控制信號(hào)，調(diào)制器的負(fù)輸入端接地。
5. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度調(diào)制器，其特征在于包括第三比較 器，將調(diào)制器輸出端的信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。
6. —種升壓型電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括如權(quán)利要求1所述的脈 沖寬度調(diào)制器，還包括第四比較器和第三放大器，其中，第四比較器的 負(fù)輸入端和轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，正輸入端連接調(diào)制器的輸出端，輸出 端為轉(zhuǎn)換器提供占空比控制；其中，第三放大器的負(fù)輸入端和轉(zhuǎn)換器 的輸出端相連，正輸入端連接參考電壓，輸出端連接調(diào)制器的正輸入 端電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的升壓型電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于還包括電感， 功率場(chǎng)效應(yīng)管，二極管和電容，所述電感和二極管串聯(lián)在轉(zhuǎn)換器的輸入 端和輸出端之間，二極管的陽(yáng)極在電感 一側(cè)，電容連接在轉(zhuǎn)換器的輸出端和地之間；功率場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接在電感和二極管之間的接點(diǎn)上， 柵極經(jīng)門(mén)驅(qū)動(dòng)器連接在第四比較器的輸出端上，源極接地。
全文摘要
本發(fā)明披露一種脈沖寬度調(diào)制器，包括第一放大器和第二放大器，其中第一電阻的一端連接在第一放大器的負(fù)輸入端，第二電阻的一端連接在第一放大器的正輸入端，第三電阻連接在第一放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間，第四電阻連接在第一放大器的正輸入端和第二放大器的輸出端之間，第二放大器連接成電壓跟隨形式，第五電阻連接在第一放大器的輸出端和第二放大器的正輸入端之間，電容連接在第二放大器的正輸入端和地之間，調(diào)制器的輸出端和第二放大器的正輸入端相連，通過(guò)改變控制端的控制信號(hào)，調(diào)制器的正輸入端和負(fù)輸入端為第一電阻的另一端和第二電阻的另一端提供的相反電壓在高電壓和低電壓之間交替變化。本發(fā)明具有更快響應(yīng)和優(yōu)化的信號(hào)失真率。
文檔編號(hào)H02M1/08GK101404443SQ20081011444
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者軍 徐, 景衛(wèi)兵, 程寶洪 申請(qǐng)人:美芯晟科技(北京)有限公司