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TWI387188B - 輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的控制方法 - Google Patents

輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的控制方法 Download PDF

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TWI387188B
TWI387188B TW97126188A TW97126188A TWI387188B TW I387188 B TWI387188 B TW I387188B TW 97126188 A TW97126188 A TW 97126188A TW 97126188 A TW97126188 A TW 97126188A TW I387188 B TWI387188 B TW I387188B
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Wu Hongyang
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Liu Teng
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Delta Electronics Inc
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Description

輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的控制方法
本發明揭露一種基於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的控制方法，特別是當該結構的變換器工作於輕載或空載模式下之交錯間歇式控制方法，以提高該結構的變換器之效率。
DC/DC變換器的發展趨勢如同大部分的電源產品一樣，朝著高效率的方向發展。這裏的高效率不但要求在額定負載時實現，還要求在全負載範圍內，即從輕載到滿載的範圍內實現。這就對DC/DC變換器的效率，尤其是輕載時的效率提出了更高的要求。
採用多個DC/DC變換器輸入、輸出端並聯的架構，並在輕載時關閉其中部分變換器的做法可以有效地提高整個變換器在輕載時的效率，這種方法被稱為切相(phase shedding)控制方法。
第一圖顯示的是一種多個DC/DC變換器輸入串聯，輸出並聯的架構，其中該多個DC/DC變換器可以為PWM變換器或者為諧振變換器。如第一圖所示變換器1、2、...、n輸入端順序串聯以接收輸入電壓Vin，並且各變換器輸入端並聯有對應的輸入電容C1、C2、...、Cn；變換器1、2、...、n的輸出端並聯於輸出電容Co以提供輸出電壓Vo。這種架構適合應用在高電壓輸入，大電流輸出的場合。同時，這種架構具有自動均衡各變換器負載的特性即各變換器輸 入電流的直流分量相同。然而由於輸入串聯的連接方式，各變換器之間無法直接進行切相控制。下面以第二圖所示的兩個輸入串聯，輸出並聯的DC/DC變換器為例說明這個問題：如第二圖所示，變換器1和2輸入端順序串聯連接以接收輸入電壓Vin，並且對應的分壓電容C1，C2並聯於變換器1和2的輸入端；變換器1和2的輸出端並聯連接以提供輸出電壓Vo。其中，Iin1和Iin2分別是變換器1和2的輸入電流的直流分量，Vin1和Vin2分別是分壓電容C1和C2上的電壓，其直流分量分別表示為Vin1_d與Vin2_d，Io1及Io2是變換器1和2的輸出電流。在這種電路結構下，根據不同的設計需求，各個變換器都存在一個可以正常工作的範圍。此時，各變換器的輸入電壓存在一個最大值Vmax以及一個最小值Vmin從而保證變換器在該電壓輸入範圍內正常的工作。其中輸入電壓的範圍是根據各變換器輸入與輸出的設計需求以及元件應力等要求而得到的。
在兩變換器均正常工作且達到穩態的情況下，Iin1=Iin2，C1和C2中電流的直流分量為0，直流電壓Vin1_d和Vin2_d保持不變。若在某負載條件下，例如：在輕載條件下，關閉變換器1，則Iin1=0，導致直流電流流過電容C1和C2，對C1進行充電，對C2進行放電，Vin1上升，Vin2下降。當Vin2下降到低於變換器2輸入電壓範圍時，變換器1和2都將不能正常工作。
因此針對上述特點在多個變換器輸入串聯輸出並聯的 架構下，本發明提出了一種新型的控制方案既能避免上述問題的發生，又能有效提高該架構在特定負載條件下，例如輕載的效率。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的控制方法」。
本案之主要目的在於提供一種基於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之結構的交錯間歇式控制方法，以改善當該結構的變換器工作於輕載或空載模式下的效率。
本案之又一主要目的在於提供一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器各具有一間歇工作週期，一間歇工作時間段以及一間歇工作佔空比，其中該間歇工作時間段比上該間歇工作週期即為該間歇工作佔空比；以及使該N個變換器以該間歇工作週期交替工作，其中N為大於等於2的整數。
根據上述之構想，N等於2。
根據上述之構想，該N個變換器之至少2個變換器傳送相同的功率。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期相同。
根據上述之構想，該至少2個變換器之該間歇工作時間段互補。
根據上述之構想，該至少2個變換器之該間歇工作時間段部份重疊。
根據上述之構想，該至少2個變換器之該間歇工作時間段存在一死區時間段。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期不相同。
根據上述之構想，該N個變換器之至少2個變換器傳送不同的功率。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期相同。
根據上述之構想，該至少2個變換器之該間歇工作時間段互補。
根據上述之構想，該至少2個變換器之該間歇工作時間段存在一死區時間段。
本案之另一主要目的在於提供一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器中至少一變換器具有一大的間歇工作週期與一小的間歇工作週期；以及使該至少一個變換器在該大的間歇工作週期的一工作時間段內，按照該小的間歇工作週期間歇工作，其中N為大於等於2的整數。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該N個變換器皆具有一大的間歇工作週期與一小的間歇工作週期，且各變換器在該大的間歇工作週期的一工作時間段內，按照該小的間歇工作週期間歇工作。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此不重疊的。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此部分重疊的。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此不重疊的，且存在一死區時間段。
本案之下一主要目的在於提供一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器均具有一間歇工作佔空比：k/N，其中0<k N 且N為大於等於2的整數；以及使得同一時刻，該N個變換器中有平均k個變換器同時工作。
根據上述之構想，k為一正整數。
根據上述之構想，各變換器均具有一間歇工作週期T，及一間歇時間段內的工作時間段：(k/N)*T。
根據上述之構想，該方法更包括一步驟；使該N個變換器中任意兩個相鄰之變換器之間的該間歇時間段內的工作時間段的一起始時間差為(1/N)*T。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第二圖所示的架構中，兩個變換器傳送的平均功率可以有不同的組合，例如變換器1和2傳送的功率可以相同，也可以不同。假設變換器1和2傳送的平均功率分別是P1, P2,則P1=Vin1_d*Iin1, P2=Vin2_d*Iin2。由於Iin1=Iin2，則Vin1_d/Vin2_d=P1/P2，即輸入電壓的直流量與傳送的平均功率成正比。
第三圖(a)-(c)所示的控制方法是基於第二圖架構中兩變換器傳送的平均功率相同，即P1=P2，亦即Vin1_d=Vin2_d的條件。在第三圖所示的控制方法下先設定Vin1_d=Vin2_d為Vcenter，且Vcenter=Vin/2。第三圖(a)-(c)中Vmax是每一變換器所能承受的最高輸入電壓，Vmin是每一變換器正常工作所需的最低電壓。EN1和EN2分別為變換器1和變換器2的使能信號，因是高電位使能，在EN1或EN2為高電位時，對應的變換器1或2工作。
如第三圖(a)所示的控制方法1為本發明的第一較佳實施例，兩變換器交替工作，並且工作的時間段沒有重疊，即任一個時刻只有一個變換器工作。t0~t1時間段內，使能信號EN2為高電位，此時變換器2工作，變換器1不工作， 因此Vin2下降，Vin1上升；t1~t2時間段內，使能信號EN1為高電位，此時變換器1工作，變換器2不工作，因此Vin1下降，Vin2上升。Vin1與Vin2均在Vcenter上下波動，但不超過由Vmax和Vmin所限定的範圍。其中t0~t2時間段為一個間歇工作週期，t0~t1(t1~t2)為一個間歇工作週期的工作時間段。如第三圖(a)所示，變換器1和2的間歇工作頻率相同，且各自的工作時間段也相同為一個間歇工作週期的50%即各自的間歇工作占空比(工作時間段/間歇工作週期)為50%。用這種方法可以實現在任一時刻只有一個變換器在工作，從而提高了變換器輕載時的效率，並且保證各變換器的輸入電壓都在可正常工作且安全的範圍之內。
第三圖(b)所示的控制方法2為本發明的第二較佳實施例，兩變換器交替工作，但兩變換器的工作時段之間存在一個兩變換器均工作的時段，即兩變換器的間歇工作週期的工作時間段有交疊。在t0~t1以及t2~t3時間段內，變換器1和2同時工作；在t1~t2時間段內僅變換器2工作，其輸入電壓Vin2下降而變換器1的輸入電壓Vin1上升；在t3-t4時間段內僅變換器1工作，其輸入電壓Vin1下降，而變換器2的輸入電壓Vin2上升。如第三圖(b)所示，變換器1和2的間歇工作頻率相同，均為間歇工作週期t0~t4 的倒數，而其各自的間歇工作週期的工作時間段也相同等於t0~t3，占整個間歇工作週期的50%以上，即各自的間歇工作占空比大於50%。
第三圖(c)所示的控制方法3為本發明的第三較佳實施例，兩變換器交替工作，但兩變換器的工作時段之間存在一個兩變換器均不工作的時段，即兩變換器的間歇工作週期的工作時間段沒有交疊。在t0~t1時間段內僅變換器2工作，其輸入電壓Vin2下降而變換器1的輸入電壓Vin1上升；在t2~t3時間段內僅變換器1工作，其輸入電壓Vin1下降而變換器2的輸入電壓Vin2上升；在t1~t2以及t3~t4時間段，兩變換器均不工作時，Vin1和Vin2均保持不變。同樣，Vin1與Vin2均在Vcenter上下波動，但不超過由Vmax和Vmin所限定的範圍。如第三圖(c)所示，變換器1、2的間歇工作頻率相同，均為間歇工作週期t0~t4的倒數。並且兩變換器的間歇工作週期的工作時間相同，但為間歇工作週期的50%以下，即各自的間歇工作占空比小於50%。
不同於第三圖(a)-(c)所示的控制方案，變換器1和2的間歇工作頻率都是相同的，在第四圖所示的第四較佳實施例中，變換器1和2的間歇工作頻率並不相同。如第四圖所示，t0~t2時間段為變換器1的一個間歇工作週期，而t0~t6時間段為變換器2的一個間歇工作週期，這樣變換器 1的間歇工作頻率為變換器2的3倍。其中在t0~t1，t2~t3時間段內變換器1和2同時工作；在t1~t2時間段內變換器2單獨工作；在t3~t4，t5~t6時間段內兩個變換器都不工作；在t4~t5時間段內變換器1單獨工作。
以上所描述的實施例中，變換器1和2傳送的功率相同。第五圖(a)-(b)所示的較佳實施例為變換器1和2傳送的功率不同情況下的控制方法。第五圖(a)-(b)中相同的標號所代表的意義與前面實施例中的相同。在第五圖(a)-(b)所示的較佳實施例中，變換器1和2的間歇工作頻率相同，但其間歇工作的占空比不同，並且與其傳送的平均功率成正比。
第五圖(a)所示為本發明的第五較佳實施例。變換器1和2的間歇工作週期相同，都為t0~t2時間段。在t0~t1時間段內，僅變換器1工作，變換器2的輸入電壓Vin2上升；在t1~t2時間段內，僅變換器2工作，變換器2的輸入電壓Vin2下降。
第五圖(b)所示為本發明的第六較佳實施例。變換器1和2的間歇工作週期相同，都為t0~t4時間段。在t0~t1時間段內，僅變換器1工作，變換器2的輸入電壓Vin2上升；在t2~t3時間段內，僅變換器2工作，變換器2的輸入電壓Vin2下降；在t1~t2，t3~t4時間段內，變換器1和2都不 工作，變換器2的輸入電壓Vin2保持不變。
在第三圖(a)-(c)所示的控制方法中，在間歇週期的工作時間段內，各變換器都連續工作。如果在各變換器間歇工作週期的工作時間段內各變換器也斷續工作，就成為第六圖(a)-(c)所示的控制方法，這樣兩變換器均包含了兩個間歇工作週期。如第六圖(a)所示的本發明的第七較佳實施例，t0~t2時間段為變換器2的一個間歇工作週期T1，其中t0~t1時間段為該間歇工作週期T1的工作時間；在t0~t3時間段內變換器2以間歇工作週期T1間歇工作，而在t3~t4時間段內變換器2停止工作，因此t0~t4時間段可以被看成變換器2的一個大間歇工作週期T2，其中t0~t3時間段為該間歇工作週期T2中的工作時間。同樣變換器1也存在一個小的間歇工作週期以及一個大的間歇工作週期。由第六圖(a)所示，其大的間歇工作週期的工作時間段是不重疊的，而是互補的。
第六圖(b)所示為本發明的第八較佳實施例，其與第六圖(a)所示的實施例不同之處在於大的間歇工作週期的工作時間段是部分重疊的。
第六圖(c)所示為本發明的第九較佳實施例，其與第六圖(a)所示的實施例不同之處在於大的間歇工作週期的工作時間段不僅沒有重疊還存在一個死區時間段如t3~t4。
同理，在第四圖和第五圖(a)-(b)所示的控制方法中，也可以使任何一個變換器在其間歇工作週期的工作時間段內間歇工作，這樣該變換器就包含了兩個間歇工作週期。
上述方法可以擴展到如第一圖所示的多個輸入串聯，輸出並聯的變換器結構中。如第七圖(a)所示的方法為本發明的第十較佳實施例。設定變換器數量為n，第七圖(a)中，各變換器的間歇工作週期為T，其一個間歇工作週期內的工作時間段為，即間歇工作占空比為，例如，變換器1工作在0~，變換器2工作在，…,變換器n工作在0~和，其中m為正整數，1 m n 。即可實現在同一時刻僅有m個變換器同時工作。當n=2，m=1時，該方法即為第三圖(a)所示的控制方法。
第七圖(a)所示的方法中，m是整數，可以實現在同一時刻恰好有m個變換器同時工作。第七圖(b)所示的方法為本發明的第十一較佳實施例。其中k是0~n之間任意數值，各變換器在週期T內依次交替工作且工作時間均為，即間歇工作占空比為，這樣可保證在週期T內，平均的同時工作的變換器個數為k。當n=2，1<k<2時，該方法即為第三圖(b)所示的控制方法。當n=2，0<k<1時，該方法即為第三圖(c)所示的控制方法。
綜上所述，本發明揭露了一種基於輸入串聯輸出並聯 的多個變換器之一結構的交錯間歇式控制方法，以改善當該結構的變換器工作於輕載或空載模式下的效率，因而確實有其進步性與新穎性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附 申請專利範圍所欲保護者。
第一圖：其係顯示一習知之輸入串聯輸出並聯的多個DC/DC變換器之結構的電路圖；第二圖：其係顯示一習知之輸入串聯輸出並聯的兩個DC/DC變換器之結構的電路圖；第三圖(a)-(c)：其係分別顯示一依據本發明構想之第一至第三較佳實施例而當第二圖中兩個DC/DC變換器之傳送功率相同且間歇工作週期相同時的控制方法之相關電壓與致能信號波形圖；第四圖：其係顯示一依據本發明構想之第四較佳實施例而當第二圖中兩個DC/DC變換器之傳送功率相同且間歇工作週期不同時的控制方法之相關電壓與致能信號波形圖；第五圖(a)-(b)：其係分別顯示一依據本發明構想之第五至第六較佳實施例而當第二圖中兩個DC/DC變換器之傳送功率不同且間歇工作週期相同時的控制方法之相關電壓與致能信號波形圖；第六圖(a)-(c)：其係分別顯示一依據本發明構想之第七至第 九較佳實施例而當第二圖中兩個DC/DC變換器均包含兩個間歇工作週期時之控制方法的致能信號波形圖；以及第七圖(a)-(b)：其係分別顯示一依據本發明構想之第十至第十一較佳實施例而當第一圖中多個DC/DC變換器相互切換之控制方法的致能信號波形圖。

Claims (21)

  1. 一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器各具有一間歇工作週期，一間歇工作時間段以及一間歇工作佔空比，其中該間歇工作時間段比上該間歇工作週期即為該間歇工作佔空比；以及使該N個變換器以該間歇工作週期交替工作，其中N為大於等於2的整數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中N等於2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該N個變換器之至少2個變換器傳送相同的功率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期相同。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該至少2個變換器之該間歇工作時間段互補。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該至少2個變換器之該間歇工作時間段部份重疊。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該至少2個變換器之該間歇工作時間段存在一死區時間段。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期不相同。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該N個變換器 之至少2個變換器傳送不同的功率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法更包括一步驟：使該至少2個變換器的間歇工作週期相同。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該至少2個變換器之該間歇工作時間段互補。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該至少2個變換器之該間歇工作時間段存在一死區時間段。
  13. 一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器中至少一變換器具有一大的間歇工作週期與一小的間歇工作週期；以及使該至少一個變換器在該大的間歇工作週期的一工作時間段內，按照該小的間歇工作週期間歇工作，其中N為大於等於2的整數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法更包括一步驟：使該N個變換器皆具有一大的間歇工作週期與一小的間歇工作週期，且各變換器在該大的間歇工作週期的一工作時間段內，按照該小的間歇工作週期間歇工作。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此不重疊的。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此部分重疊的。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法更包括一步驟：使該N個變換器之各該工作時間段是彼此不重疊的，且存在一死區時間段。
  18. 一種用於輸入串聯輸出並聯的多個變換器之一結構的控制方法，包含下列之步驟：提供該結構N個變換器，其中該N個變換器之輸入串聯且輸出並聯；使該N個變換器均具有一間歇工作佔空比：k/N，其中0<k N 且N為大於等於2的整數；以及使得同一時刻，該N個變換器中有平均k個變換器同時工作。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中k為一正整數。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中各變換器均具有一間歇工作週期T，及一間歇時間段內的工作時間段：(k/N)*T。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法更包括一步驟：使該N個變換器中任意兩個相鄰之變換器之間的該間歇時間段內的工作時間段的一起始時間差為(1/N)*T。
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