专利名称：具有多个耦合线圈的多相降压转换器的制作方法
具有多，，圈的多相降压转换器相关申请
本申i青基于2005年7月26日提交的，临时申请号为60/702， 521，题目为"具有两相耦合线圈的多相降压转换器的设计"(MULTI-PHASE BUCK CONVERTER DESIGN WITH 2 PHASE COUPLED INDUCTOR)的美国专利，并要求它的喊，本申请要求其优先权并且本文援弓l其内容。 技术领域
本申请涉及电源电路，尤 及多相电源转换器。
技术背景
参见图1A，两相降压转换器(buck converter)包括两个并联连接的转 换器，齡转换器包括第一控制开关S1， S2和在切换节点10相互连接的分 路开关SH。齡线圈12的一个t^i接至彻换节点10，另一个t雄接到输出 节点14。图1A中的线圈12彼此是不M^的，也就是说它们不同用一个共 同的铁芯。
图1B示出了一个两相降压转换器，其中线圈12彼]th^合，这意自 线圈12是相反连接的，并且绕着一个共同的铁芯。
在诸如多相降压转换器的多相电压调节器中电》树消是公知的，可以 ^!>输出电流的纹波。
多相降压转换器中的电^^消通过多相线圈耦合可以扩展到线圈和 开关中。例如，如图1C中所示，在一个两相降压转换器中，采用耦雜圈(图 1B)可以有效的斷氏^i^圈的电流,峰值。因此，当翻耦合线圈时，在 不损失动态性能割牛下，可以期望较小的稳态损失。此外，与线圈没有耦合 的多相降压转换器(图1A)相比较，当线圈耦合时，线圈的尺寸可以减小而 不会感应出更多的统波电流。因此，在不牺牲转换器效率的^#下可以期望 更决的瞬时反应特性。
根据现有技术的典型的多相转换器可以包括两个以上绕一共同的铁 芯的线圈。这样一种不对称的设置意味着它的相表5见出不一样的磁特性。磁 特性上的变化可能带来次谐波输出波动。
期望斷氐多相转换器中的次谐波输出波动。 发明内容
本发明的一个目的;^^一个多相转换器，其可以M^、输出电流中生 成的次i^波波动。
根据本发明的电源转换器包括多个并f^接的转换器，其中旨转换 驗其切换节点串联连接相应的线亂其中转换器布置成使得每对转换器连 接到绕一个共同的铁芯相反连接的两个线圈中相应的一个。因此，根据本发 明的多相转换器，包括至少一对并i^i接的转换器，iM转换器与一对耦合线圈相it接；或多对并^^接的转换器，每对转换器与一对耦^圈相ii接。
根据本发明的體的优点是，因为一对耦合线圈题Wf尔的并且可以构造成具有一样的磁特性，因此斷氐了由不辦尔弓l起的输出电流中的次谐波波动。
在一个^ffi调节器中，相的数量取决于效率、^等等的优化方案的权衡。为了提高额定电流，雌的是增加更多的相。然而，相的M不总是偶数。根据本发明的一个方面，所麟的奇数个并联的转换器中至少有一个 线圈是没有与其它线圈耦合的，而其它的转换器，成具有如上面戶，释的 娥尔的輙性。
对^^辦目的转换器，合适的相移可以消 在的输出纹波电流。根 据本发明的一个方面，可以iKl相移的设计降低由于不f^线圈存在而引起 的波动。
本发明的其它的特征和优点将通过本发明下面参考附图的描述而变 得显而易见。
图1A示出了一个根据现有技术的多相转换器。
图1B示出了一个根据现有技术的多相转换器。
图1C图示了图1A中的转换器和图1B中的转换器的统波电流的比较。
图2示出了一个根据本发明的多相降压转换器。
图3图示了一个用于启动根据本发明的转换器中的控制开关的控制设 计。
图4示出了耦合线圈(K)的磁化电感与漏电感的比率对应于^a 圈中的电、^1 (厶I)的曲线图。
图5A—6C示出了根据本发明的一个四相转换器和一个五相转换皿 自的计算得到的波形。
图7A—8B示出了根据本发明的一个四相转换器和一个五相转换皿 自的模拟得到的娜。
图9示出了根据本发明的转换器 得到的波形。 具体实船式
参见图2,根据本发明的,实施方式的多相降压转换器包括多个并 麟接的转换器20。雌的是，針转换器20雌包括一4^接到电源输 入节点Vin和切换节点10之间的控制开关&到S對，以及一^^接到^"切 换节点10和ite间的分路开关SHi到SH洲。根据本发明的转换器进一步包括 多个线圈U到L洲，針线圈的一个极连接到各自的切换节点10，另一个极 连接到转换器的输出节点14。雌的是， 一伟出电容15的一个t^i接到 输出节点14，另一个极接地。
雌的是，Jt^^制开关是功率MOSFET，但是其它不背离本发明的范 围和精神的开^tii可以M^用，如IGBT。
根据本发明的一个方面，仅仅一对线圈耦合并且绕在一个共同的铁芯 上，并且針线圈的一个极连接到各自的切换节点，另一个t雄接到输出节 点。例如，L和L耦合并且绕在一个共同的铁芯上，它们连接至恪自的与控 制开关Si和S2相连的切换节点上。注意到，这SM旨的两个线圈耦合意赠 臓线圈相反连接，爐是反并联连接。
此外，根据本发明的另一个方面，线圈Ur没有与其它的线圈耦合。 因此，N铺合的线圈(也就是具有耦雜圈的两相转换器)与一个與虫的 *^合的线圈组^^得到一种混合转换器。
当N个具有耦雜圈的两相转换器与至少一相織合的线圈组合时， 可以从m合中得到好处。实际上，当"+1—oo,转换器相当于一个2N相转 换器。
现参见图3，在^h转换周期中，旨线圈L到L,iKl导通与其相 连接的控制开关Si到S，而相继启动。例如，舰导通S,启动U等等。
根据本发明的一个方面，不同于现有技术的是，^^圈相距(apart) 180度不启动，并^a^有的线圈相距360;g/N不启动，其中N驗圈的个数。相反为了获得最佳的结果，根据下面的相移设计启动线圈，以消除由于未耦 合的线圈的电压而弓胞的输出统波电流的潜在增长。
i)的两线圈的相移由公式1控制。
U2》=3" (1)
该相移如图3中的A处所示。
其中LK是该耦合线圈的漏电感，L^和U (K=l， 2…"'N)，是耦雜 亂也就是相反连接的线亂S^和S3K分别标与耦雜圈相连接的控制开 关。例如，在一賴括一个与耦合线圈对(N二l)相连接的两相转换器的多相 转换器中，&和S2将分别与^^圈L和L2相连接，而S3将和^^合的线圈 L3相连接。注意到在这个例子中，换器具有三相。
ii)除^合的线圈的相之外的，相邻的两相转换器的相移由公式2 ^^。
-H)= —3602.7V + -"(2)
该相移如图3中的B ^b0f示。
在这种體中，转换器的等效电感由公式3得到。
, =-^- (3)-+-
耦合线圈每相的纹波电流条峰值由公式4给出。
A/pp fc =《 .歸 (4)
其中Vout是输出电压，D是占空比，Fs是转换频率，以及K是该耦 雜圈的磁化电感与漏电感的比率。为了使得所有的相取得一样的*峰电流 值，^^的线圈Ui的雌的电驗公式5示出。
画 (5) L訓《—(2〖—1)Z)"
转换器的输出统波电流由公式6得到。
化尸rt =lz^.n_^^ (6)设计实例
设计说明
Vin/Vout_no—load=12V/l. 335V;
负载线Ro-1.25mohm;
最大输出电流1腿=腿；
切换,频率Fs-660KHz
在该例子中，将一个四相转换器和一个五相转换器作比较。为了节省 输出电容，耦雜圈的漏电感选择65nH。对于磁化电感，公知的是高磁化电感能带来强耦合性并能舰的消除纹波电流。然而，如果在wtil合相之间存在一个较小的DC电流不协调，那么磁化电感越高越容易获ff^饱和。从图 4中，选择磁化电感对漏电感的比率为K二3将可以很好的禾,耦合，并在耦 合和抗铁芯饱和弓驢之间麟舰的折中。对于五相转换器，基于公式5， 合的线圈选择120nH的商业现有(C0TS)的线亂以具有与所有的相接 近的统波电流il^峰值。
在图5A—5C (四相转换器)和6A—6C (五相转换器)中示出了计算 出来的、跡。在图7A—7B (四相转换器)和8A—8B (五相转换器)中示出了 模拟波形。这些^^表明每一相中的纹波电流已经明显斷氐了。实验结果
—个四相转换 设计成具有两个两相转换器，该两相转换器具有耦雜圈。图9中示出了该转换器的电流^^。该测量出的波形证明，如所期望的，相纹波电流已经明显地斷氐了。
1f据本发明的转换器可以
斷氐每相的RMS电流以提高转换器效率；
斷氐转换器的等效电感，以最小化具有魏短暂要求的应用场合所需
要的输出电容；
消斷皆波输出统波电流；以及
4.消除对具有两相耦雜圈的多相转换器柳蹄lj。
虽然本发明已惑就其具体的实施方式给予了描述，但是许多其他变化和改变以及其他的顿对所属领域的技术人员也将慰艮明显的。因此，雌的是本发明不^S里公开的细节的限制，而是仅受附加的权利要求的限制。
权利要求
1.一种多相转换器，包括2N+1个线圈；以及2N+1个并联连接的开关转换器，每个开关转换器包括一个切换节点；其中N是偶整数，一对所述的线圈是耦合的并且绕在一个共同的铁芯上，每个所述的耦合线圈的一个极连接到各自的切换节点上，它的另一个极连接到一个输出节点，并且至少一个所述的线圈没有与其它的线圈耦合。
2. 如权利要求1戶脱的多相转换器，其中戶/M转换器是降压转换器。
3. 如权利要求1所述的多相转换器，其中每个转换器包括一4^接在电源输Afn戶;M切换节点之间的控制开关，以及一4^接^0M切换节点和地之间的分路开关。
4. 如权利要求3所述的多相转换器，其中所，制开关和戶，分路开关 是功率MOSFET。
5. 如权利要求3戶，的多相转换器，其中戶;fffi制开关和戶;M分路开关是功率IGBT。
6. 如权利要求1所述的多相转换器，其中所述线圈皿少一对并且仅仅是皿的fflii各自共同的铁芯相耦合。
7. 如权利要求6戶，的多相转换器，其中N至少是4。
8. 如权利要求1戶脱的多相转换器，其中戶腿线圈柳i^地启动。
9. 如权利要求1所丞的多相转换器，其中N是耦合线圈的对数，并^SJf 述的耦，圈M下面的M控制的移相角启动360. iV2-iV +其中-是相角，LK是^^圈的漏电感。
10. 如权利要求1戶皿的多相转换器，其中N是耦^圈的个数，两对相邻的耦雜圈M;下面的^^控制的移相角启动 "，s 产 _其中-是相角，U是耦合线圈的漏电感。
11. 一种多相转换器，包括多个线圈；多个并^i接的开关转换器，并且^开关转换器包括一个切换节点；其中所述的线圈是至少一对并且仅仅是成对的M;各自共同的铁芯相耦合，每个戶腿的耦雜圈的一个鹏接到各自的切换节点上，它的另一个极 连接到一，出节点，并皿少一个所述的线圈没有与其它的线圈耦合。
12. 如权利要求11戶腿的多相转换器，其中有2N+1个线亂并且N是 偶M，并朋脱的线圈中仅仅有一个线圈^^的。
13. 如权利要求11所述的多相转换器，其中所述转换器是降压转换器。
14. 如权利要求11所述的多相转换器，其中^转换器包括一^i接在电源输ASi戶;M切换节点之间的控制开关，以及一个连接^BfM的切换节点和ite间的分路开关。
15. 如权利要求14戶腿的多相转换器，其中戶腿的控制开关和戶腿的 分路开繊力率MOSFET。
16. 如权利要求14所述的多相转换器，其中所，制开关和戶;M分路开关是功率丽。
17. 如权利要求ll皿的多相转换器，其中N至少是4。
18. 如权利要求11戶腿的多相转换器，其中戶腿线圈柳,的启动。
19. 如权利要求11戶，的多相转换器，其中N是耦，圈的对数，并 且所述的耦合线圈通过下面的关系控制的移相角启动其中-是相角，LK是IP^圈6^漏电感。
20.如权利要求11所述的多相转换器，其中N是耦，圈的个数，两对相邻的耦雜圈M:下面的絲控制的移相角启动其中戶;M的-是相角，LK是^线圈的漏电感。
全文摘要
一种多相转换器包括2N+1个线圈；以及2N+1个并联连接的开关转换器，每个开关转换器包括一个切换节点；其中N是偶整数，一对所述的线圈相耦合并且绕在一个共同的铁芯上，每个所述的耦合线圈的一个极连接到各自的切换节点，它的另一个极连接到一个输出节点，并且至少一个所述的线圈没有与其它的线圈耦合。
文档编号H02M3/04GK101159411SQ20061012636
公开日2008年4月9日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者G·许莱因, N·李, W·吴 申请人:国际整流器公司