CN101635505B

CN101635505B - 输入串联输出并联的多个变换器的结构的控制方法

Info

Publication number: CN101635505B
Application number: CN2008101332795A
Authority: CN
Inventors: 叶浩屹; 曾剑鸿; 吴洪洋; 言超; 刘腾; 应建平
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: CN101635505A

Abstract

本发明是揭露一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列步骤：提供该结构N个变换器，其中该N个变换器的输入串联且输出并联；使该N个变换器各具有一间歇工作周期，一间歇工作时间段以及一间歇工作占空比，其中该间歇工作时间段比上该间歇工作周期即为该间歇工作占空比；以及使该N个变换器以该间歇工作周期交替工作，其中N为大于等于2的整数。

Description

输入串联输出并联的多个变换器的结构的控制方法

技术领域

本发明揭露一种基于输入串联输出并联的多个变换器的结构的控制方法，特别是当该结构的变换器工作于轻载或空载模式下的交错间歇式控制方法，以提高该结构的变换器的效率。

背景技术

DC/DC变换器的发展趋势如同大部分的电源产品一样，朝着高效率的方向发展。这里的高效率不但要求在额定负载时实现，还要求在全负载范围内，即从轻载到满载的范围内实现。这就对DC/DC变换器的效率，尤其是轻载时的效率提出了更高的要求。

采用多个DC/DC变换器输入、输出端并联的架构，并在轻载时关闭其中部分变换器的做法可以有效地提高整个变换器在轻载时的效率，这种方法被称为切相(phase shedding)控制方法。

图1显示的是一种多个DC/DC变换器输入串联、输出并联的架构，其中该多个DC/DC变换器可以为PWM变换器或者为谐振变换器。如图1所示变换器1、2、…、n输入端顺序串联以接收输入电压Vin，并且各变换器输入端并联有对应的输入电容C1、C2、…、Cn；变换器1、2、…、n的输出端并联于输出电容Co以提供输出电压Vo。这种架构适合应用在高电压输入，大电流输出的场合。同时，这种架构具有自动均衡各变换器负载的特性即各变换器输入电流的直流分量相同。然而由于输入串联的连接方式，各变换器之间无法直接进行切相控制。下面以图2所示的两个输入串联，输出并联的DC/DC变换器为例说明这个问题：

如图2所示，变换器1和2输入端顺序串联连接以接收输入电压Vin，并且对应的分压电容C1，C2并联于变换器1和2的输入端；变换器1和2的输出端并联连接以提供输出电压Vo。其中，Iin1和Iin2分别是变换器1和2 的输入电流的直流分量，Vin1和Vin2分别是分压电容C1和C2上的电压，其直流分量分别表示为Vin1_d与Vin2_d。在这种电路结构下，根据不同的设计需求，各个变换器都存在一个可以正常工作的范围。此时，各变换器的输入电压存在一个最大值Vmax以及一个最小值Vmin从而保证变换器在该电压输入范围内正常的工作。其中输入电压的范围是根据各变换器输入与输出的设计需求以及元件应力等要求而得到的。

在两变换器均正常工作且达到稳态的情况下，Iin1＝Iin2，C1和C2中电流的直流分量为0，直流电压Vin1_d和Vin2_d保持不变。若在某负载条件下，例如：在轻载条件下，关闭变换器1，则Iin1＝0，导致直流电流流过电容C1和C2，对C1进行充电，对C2进行放电，Vin1上升，Vin2下降。当Vin2下降到低于变换器2输入电压范围时，变换器1和2都将不能正常工作。

因此针对上述特点在多个变换器输入串联输出并联的架构下，本发明提出了一种新型的控制方案既能避免上述问题的发生，又能有效提高该架构在特定负载条件下，例如轻载的效率。

因上述原因，发明人鉴于已知技术的缺陷，对现有技术进行改进，发明出本发明的“输入串联输出并联的多个变换器的结构的控制方法”。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于输入串联输出并联的多个变换器的结构的交错间歇式控制方法，以改善当该结构的变换器工作于轻载或空载模式下的效率。

本发明的又一主要目的在于提供一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列的步骤：提供该结构N个变换器，其中该N个变换器的输入串联且输出并联；使该N个变换器各具有一间歇工作周期、一间歇工作时间段以及一间歇工作占空比，其中该间歇工作时间段比上该间歇工作周期即为该间歇工作占空比；以及使该N个变换器以该间歇工作周期交替工作，其中N为大于或等于2的整数。

根据上述的方法，N等于2。

根据上述的方法，该N个变换器的至少2个变换器传送相同的功率。

根据上述的构想，该方法还包括一步骤：使该至少2个变换器的间歇工作周期相同。

根据上述的方法，该至少2个变换器的该间歇工作时间段互补。

根据上述的方法，该至少2个变换器的该间歇工作时间段部分重叠。

根据上述的方法，该至少2个变换器的该间歇工作时间段存在一死区时间段。

根据上述的方法，该方法还包括一步骤：使该至少2个变换器的间歇工作周期不相同。

根据上述的方法，该N个变换器的至少2个变换器传送不同的功率。

本发明的另一主要目的在于提供一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列的步骤：提供该结构N个变换器，其中该N个变换器的输入串联且输出并联；使该N个变换器中至少一变换器具有一大的间歇工作周期与一小的间歇工作周期；以及使该至少一个变换器在该大的间歇工作周期的一工作时间段内，按照该小的间歇工作周期间歇工作，其中N为大于等于2的整数。

根据上述的构想，该方法还包括一步骤：使该N个变换器皆具有一大的间歇工作周期与一小的间歇工作周期，且各变换器在该大的间歇工作周期的一工作时间段内，按照该小的间歇工作周期间歇工作。

根据上述的方法，该方法还包括一步骤：使该N个变换器的各该工作时间段是彼此不重叠的。

根据上述的方法，该方法还包括一步骤：使该N个变换器的各该工作时间段是彼此部分重叠的。

根据上述的方法，该方法还包括一步骤：使该N个变换器的各该工作时间段是彼此不重叠的，且存在一死区时间段。

本发明的下一主要目的在于提供一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列的步骤：提供该结构N个变换器，其中该N个变换器的输入串联且输出并联；使该N个变换器均具有一间歇工作占空比：k/N，其中0＜k≤N且N为大于等于2的整数；以及使得同一时刻，该N个变换器中有平均k个变换器同时工作。

根据上述的方法，k为一正整数。

根据上述的方法，各变换器均具有一间歇工作周期T，及一间歇时间段内的工作时间段：(k/N)^*T。

根据上述的方法，该方法还包括一步骤：使该N个变换器中任意两个相邻的变换器之间的该间歇时间段内的工作时间段的一起始时间差为(1/N)^*T。

附图说明

图1是一已知的输入串联输出并联的多个DC/DC变换器的结构的电路图；

图2是一已知的输入串联输出并联的两个DC/DC变换器的结构的电路图；

图3(a)～(c)是一依据本发明构想的第一至第三较佳实施例而当图2中两个DC/DC变换器的传送功率相同且间歇工作周期相同时的控制方法的相关电压与使能信号波形图；

图4是一依据本发明构想的第四较佳实施例而当图2中两个DC/DC变换器的传送功率相同且间歇工作周期不同时的控制方法的相关电压与使能信号波形图；

图5(a)～(b)是一依据本发明构想的第五至第六较佳实施例而当图2中两个DC/DC变换器的传送功率不同且间歇工作周期相同时的控制方法的相关电压与使能信号波形图；

图6(a)～(c)是一依据本发明构想的第七至第九较佳实施例而当图2中两个DC/DC变换器均包含两个间歇工作周期时的控制方法的使能信号波形图；以及

图7(a)～(b)是一依据本发明构想的第十至第十一较佳实施例而当图1中多个DC/DC变换器相互切换的控制方法的使能信号波形图。

具体实施方式

为了让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图2所示的架构中，两个变换器传送的平均功率可以有不同的组合，例如变换器1和2传送的功率可以相同，也可以不同。假设变换器1和2传送的平均功率分别是P1，P2，则P1＝Vin1_d^*Iin1，P2＝Vin2_d^*Iin2。由于Iin1＝Iin2，则Vin1_d/Vin2_d＝P1/P2，即输入电压的直流量与传送的平均功率成正比。

图3(a)-(c)所示的控制方法是基于图2架构中两变换器传送的平均功率相同，即P1＝P2，亦即Vin1_d＝Vin2_d的条件。在图3所示的控制方法下先设定Vin1_d＝Vin2_d为Vcenter，且Vcenter＝Vin/2。图3(a)-(c)中Vmax是每一变换器所能承受的最高输入电压，Vmin是每一变换器正常工作所需的最低电压。EN1和EN2分别为变换器1和变换器2的使能信号，因是高电位使能，在EN1或EN2为高电位时，对应的变换器1或2工作。

如图3(a)所示的控制方法一为本发明的第一较佳实施例，两变换器交替工作，并且工作的时间段没有重叠，即任一个时刻只有一个变换器工作。t0～t1时间段内，使能信号EN2为高电位，此时变换器2工作，变换器1不工作，因此Vin2下降，Vin1上升；t1～t2时间段内，使能信号EN1为高电位，此时变换器1工作，变换器2不工作，因此Vin1下降，Vin2上升。Vin1与Vin2均在Vcenter上下波动，但不超过由Vmax和Vmin所限定的范围。其中t0～t2时间段为一个间歇工作周期，t0～t1(t1～t2)为一个间歇工作周期的工作时间段。如图3(a)所示，变换器1和2的间歇工作频率相同，且各自的工作时间段也相同为一个间歇工作周期的50％，即各自的间歇工作占空比(工作时间段/间歇工作周期)为50％。用这种方法可以实现在任一时刻只有一个变换器在工作，从而提高了变换器轻载时的效率，并且保证各变换器的输入电压都在可正常工作且安全的范围之内。

图3(b)所示的控制方法二为本发明的第二较佳实施例，两变换器交替工作，但两变换器的工作时段之间存在一个两变换器均工作的时段，即两变换器的间歇工作周期的工作时间段有交迭。在t0～t1以及t2～t3时间段内，变换器1和2同时工作；在t1～t2时间段内仅变换器2工作，其输入电压Vin2下降而变换器1的输入电压Vin1上升；在t3～t4时间段内仅变换器1工作，其输入电压Vin1下降，而变换器2的输入电压Vin2上升。如图3(b)所示，变换器1和2的间歇工作频率相同，均为间歇工作周期t0～t4的倒数，而其各自的间歇工作周期的工作时间段也相同，等于t0～t3，占整个间歇工作周期的50％以上，即各自的间歇工作占空比大于50％。

图3(c)所示的控制方法三为本发明的第三较佳实施例，两变换器交替工作，但两变换器的工作时段之间存在一个两变换器均不工作的时段，即两变换器的间歇工作周期的工作时间段没有交迭。在t0～t1时间段内仅变换器2工作，其输入电压Vin2下降而变换器1的输入电压Vin1上升；在t2～t3时间段内仅变换器1工作，其输入电压Vin1下降而变换器2的输入电压Vin2上升；在t1～t2以及t3～t4时间段，两变换器均不工作时，Vin1和Vin2均保持不变。同样，Vin1与Vin2均在Vcenter上下波动，但不超过由Vmax和Vmin所限定的范围。如图3(c)所示，变换器1和2的间歇工作频率相同，均为间歇工作周期t0～t4的倒数。并且两变换器的间歇工作周期的工作时间相同，但为间歇工作周期的50％以下，即各自的间歇工作占空比小于50％。

不同于图3(a)-(c)所示的控制方法，变换器1和2的间歇工作频率都是相同的，在图4所示的第四较佳实施例中，变换器1和2的间歇工作频率并不相同。如图4所示，t0～t2时间段为变换器1的一个间歇工作周期，而t0～t6时间段为变换器2的一个间歇工作周期，这样变换器1的间歇工作频率为变换器2的3倍。其中在t0～t1，t2～t3时间段内变换器1和2同时工作；在t1～t2时间段内变换器2单独工作；在t3～t4，t5～t6时间段内两个变换器都不工作；在t4～t5时间段内变换器1单独工作。

以上所描述的实施例中，变换器1和2传送的功率相同。图5(a)-(b)所示的较佳实施例为变换器1和2传送的功率不同情况下的控制方法。图5(a)-(b)中相同的标号所代表的意义与前面实施例中的相同。在图5(a)-(b)所示的较佳实施例中，变换器1和2的间歇工作频率相同，但其间歇工作的占空比不同，并且与其传送的平均功率成正比。

图5(a)所示为本发明的第五较佳实施例。变换器1和2的间歇工作周期相同，都为t0～t2时间段。在t0～t1时间段内，仅变换器1工作，变换器2的输入电压Vin2上升；在t1～t2时间段内，仅变换器2工作，变换器2的输入电压Vin2下降。

图5(b)所示为本发明的第六较佳实施例。变换器1和2的间歇工作周期相同，都为t0～t4时间段。在t0～t1时间段内，仅变换器1工作，变换器2的输入电压Vin2上升；在t2～t3时间段内，仅变换器2工作，变换器2的输入电压Vin2下降；在t1～t2，t3～t4时间段内，变换器1和2都不工作，变换器2的输入电压Vin2保持不变。

在图3(a)-(c)所示的控制方法中，在间歇周期的工作时间段内，各变换器都连续工作。如果在各变换器间歇工作周期的工作时间段内各变换器也断续工作，就成为图6(a)-(c)所示的控制方法，这样两变换器均包含了两个间歇工作周期。

如图6(a)所示的本发明的第七较佳实施例，t0～t2时间段为变换器2的一个间歇工作周期T1，其中t0～t1时间段为该间歇工作周期T1的工作时间；在t0～t3时间段内变换器2以间歇工作周期T1间歇工作，而在t3～t4时间段内变换器2停止工作，因此t0～t4时间段可以被看成变换器2的一个大间歇工作周期T2，其中t0～t3时间段为该间歇工作周期T2中的工作时间。同样变换器1也存在一个小的间歇工作周期以及一个大的间歇工作周期。由图6(a)所示，其大的间歇工作周期的工作时间段是不重叠的，而是互补的。

图6(b)所示为本发明的第八较佳实施例，其与图6(a)所示的实施例不同之处在于大的间歇工作周期的工作时间段是部分重叠的。

图6(c)所示为本发明的第九较佳实施例，其与图6(a)所示的实施例不同之处在于大的间歇工作周期的工作时间段不仅没有重叠还存在一个死区时间段如t3～t4。

同理，在图4和图5(a)-(b)所示的控制方法中，也可以使任何一个变换器在其间歇工作周期的工作时间段内间歇工作，这样该变换器就包含了两个间歇工作周期。

上述方法可以扩展到如图1所示的多个输入串联、输出并联的变换器结构中。如图7(a)所示的方法为本发明的第十较佳实施例。设定变换器数量为n，图7(a)中，各变换器的间歇工作周期为T，其一个间歇工作周期内的工作时间段为即间歇工作占空比为

例如，变换器1工作在

变换器2工作在

变换器n工作在

和其中m为正整数，1≤m≤n。即可实现在同一时刻仅有m个变换器同时工作。当n＝2，m＝1时，该方法即为图3(a)所示的控制方法。

图7(a)所示的方法中，m是整数，可以实现在同一时刻恰好有m个变换器同时工作。图7(b)所示的方法为本发明的第十一较佳实施例。其中k是0～n之间任意数值，各变换器在周期T内依次交替工作且工作时间均为

即间歇工作占空比为

这样可保证在周期T内，平均的同时工作的变换器个数为k。当n＝2，1＜k＜2时，该方法即为图3(b)所示的控制方法。当n＝2，0＜k＜1时，该方法即为图3(c)所示的控制方法。

综上所述，本发明揭露了一种基于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的交错间歇式控制方法，以改善当该结构的变换器工作于轻载或空载模式下的效率，因而确实有其进步性与新颖性。

是以，虽然本发明已由上述的实施例所详细叙述，而可由熟悉本领域技术的人员加以改动，均在本发明权利要求范围之内。

Claims

1.一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列步骤：

提供该结构N个变换器，其中该N个变换器的输入串联且输出并联；

使该N个变换器各具有一间歇工作周期，一间歇工作时间段以及一间歇工作占空比，其中该间歇工作时间段比上该间歇工作周期即为该间歇工作占空比；以及

使该N个变换器以该间歇工作周期交替工作，其中N为大于等于2的整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N等于2。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该N个变换器的至少2个变换器传送相同的功率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括一步骤：使该至少2个变换器的间歇工作周期相同，其中：

该至少2个变换器的该间歇工作时间段互补；或

该至少2个变换器的该间歇工作时间段部分重叠；或

该至少2个变换器的该间歇工作时间段存在一死区时间段。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括一步骤：使该至少2个变换器的间歇工作周期不相同。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中：

该N个变换器的至少2个变换器传送不同的功率；

该方法还包括一步骤：使该至少2个变换器的间歇工作周期相同，其中：

该至少2个变换器的该间歇工作时间段互补；或

该至少2个变换器的该间歇工作时间段存在一死区时间段。

7.一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列步骤：

使该N个变换器中至少一变换器具有一大的间歇工作周期与一小的间歇工作周期；以及

使该至少一个变换器在该大的间歇工作周期的一工作时间段内，按照该小的间歇工作周期间歇工作，其中N为大于等于2的整数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括一步骤：使该N个变换器皆具有一大的间歇工作周期与一小的间歇工作周期，且各变换器在该大的间歇工作周期的一工作时间段内，按照该小的间歇工作周期间歇工作，其中该方法还包括一步骤：

使该N个变换器的各该工作时间段是彼此不重叠的；

使该N个变换器的各该工作时间段是彼此部分重叠的；或

使该N个变换器的各该工作时间段是彼此不重叠的，且存在一死区时间段。

9.一种用于输入串联输出并联的多个变换器的一结构的控制方法，包含下列步骤：

使该N个变换器均具有一间歇工作占空比：k/N，其中0＜k≤N，且N为大于等于2的整数；以及

使得同一时刻，该N个变换器中有平均k个变换器同时工作。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中：

k为一正整数；或

各变换器均具有一间歇工作周期T，及一间歇时间段内的工作时间段：(k/N)^*T，而该方法还包括一步骤：使该N个变换器中任意两个相邻的变换器之间的该间歇时间段内的工作时间段的一起始时间差为(1/N)^*T。