具有快速瞬态响应的耦合电感器级联降压转换器的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月15日提交的美国临时专利申请号62/643,558的权益，该申请全文以引用方式并入本文。

本公开整体涉及功率拓扑电路，并且更具体地涉及具有快速瞬态响应的耦合电感器级联降压转换器。

背景技术：

数据中心的能量消耗的增大需要在功率效率方面得到改善。在许多市场诸如电信、工业、航空航天和服务器环境中，该要求已触发能够将功率从48v直接转换为负载点(pol)电压的功率拓扑的开发。一种尝试的解决方案是基于变压器的使用谐振/非谐振半桥/全桥加上电流倍增器。另一种尝试的解决方案是使用降压转换器。非隔离降压转换器已由于其固有的高效率和快速瞬时响应而引起对该应用的最大关注。然而，高降压电压转换率意味着非常低的占空比，这难以在单级降压转换器中实现。为了克服该问题，工业上采用能够具有纳秒开关时间的新兴氮化镓(gan)场效应晶体管技术。另选地，利用级联降压转换器，从而产生中间总线电压并保持使用硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)可实现的合理占空比。

上述两种解决方案都受到输出电压中负载释放瞬态的问题的影响。实际上，由于非常低的输出电压，输出滤波电感器中的可实现的电流转换速率为低的，即-vo/l。因此，输出电容器需要吸收非常大的访问电荷，并且需要大的输出电容器以防止输出电压过冲。

图1示出了现有技术级联降压转换器，该现有技术级联降压转换器从输入源101接收输入供电电压vin并在负载110处将该输入供电电压转换为低输出电压vo。级联转换器包括输入降压转换器级和输出降压转换器级，该输入降压转换器级包括第一高侧开关102、第一低侧开关103、第一电感器104和中间去耦电容器105，该输出降压转换器级包括第二高侧开关106、第二低侧开关107、第二电感器108和输出去耦电容器109。中间去耦电容器105产生中间总线电压vc。第一高侧开关102和第一低侧开关103接收栅极驱动信号g1和第二高侧开关106和第二低侧开关107接收栅极驱动信号g2和第一电感器104和第二电感器108对应地传导电流i1和i2。输出负载110传导输出电流io。

图2示出了示出图1的现有技术转换器的示例性波形，该现有技术转换器在恒定导通时间(cot)模式下操作，而不限制其在其他控制模式下遭受的缺陷的一般性。两种降压转换器级同步地操作，并且波形201和202对应地表示栅极驱动信号g1和g2。

波形203、204和205对应地描绘电流i2、i1和io。电流203中的阶跃在第二电感器108中留下需要由输出去耦电容器109吸收的残余能量。如图2所示，图1的转换器以小的占空比(即，)和根据的中间总线电压操作。因此，下降斜率转换速率dl2/dt＝-vo/l2比上升斜率dl2/dt＝(vc-vo)/l2慢得多。因此，输出电流io的负载释放瞬态在第二电感器108中留下非对称较大的过量电荷207。该电荷207导致波形206中看到的输出电压vo的大的过冲。图1和图2所示的级联降压转换器在高降压电压比下操作，从而导致对负载释放瞬态的非对称差的响应。

当电流203升压时，类似的行为导致电压206的下冲。然而，由于电流204的更快的上升斜率，该问题不太严重。

因此，需要能够对48v到pol转换的负载释放瞬态作出更快响应的新的功率拓扑和新的控制方法。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种用于从输入电压源接收输入电压并用于将输出电压递送到负载的级联降压转换器。该转换器包括：第一电感器；第二电感器；耦合电感器，该耦合电感器具有与第一电感器串联连接的第一绕组和与第二电感器串联连接的第二绕组；中间去耦电容器，该中间去耦电容器用于从第一电感器和第一绕组接收能量并且用于向第二电感器和第二绕组供应能量；和输出去耦电容器，该输出去耦电容器用于使负载处的输出电压平滑化。

附图说明

当结合附图考虑时，参考以下具体实施方式，本公开的实施方案的更完整理解及其伴随优点及特征将更易于理解，其中：

图1为现有技术级联降压转换器的电路图；

图2为示出图1的现有技术转换器的波形的波形图；

图3为根据本公开的实施方案的级联降压转换器的电路图；

图4为示出图3的级联降压转换器的波形的波形图；

图5为示出本公开的级联降压转换器的另选实施方案的电路图；并且

图6为示出图3的级联降压转换器的波形的波形图。

具体实施方式

图3描绘了本公开的级联降压转换器，其中将耦合电感器300添加到电路，其中耦合电感器300包括输入绕组301和输出绕组302，输入绕组301和输出绕组302之间具有匝数比n和耦合系数k≈1。绕组301和302与第一电感器104和第二电感器108对应地串联连接，并且两个绕组以面向负载110的相同极性连接。为了避免过度纹波转向，选择n≈1/d在输出电压vo超过阈值电压von时，在g1处施加控制脉冲(图4所示)，而g2＝0。

根据本公开的实施方案，第一高侧开关102被配置为使第一电感器104和第一绕组(即，输入绕组301)从输入电压源101通电。第一低侧开关103被配置为通过跨中间去耦电容器105连接第一电感器104和第一绕组301来使该第一电感器和第一绕组断电。第二高侧开关106被配置为通过跨输出去耦电容器109连接第二电感器108和第二绕组302来使该第二电感器和第二绕组通电。第二低侧开关107被配置为通过跨输出去耦电容器109连接第二电感器108和第二绕组302来使该第二电感器和第二绕组断电。第一高侧开关102和第二高侧开关106基本上被同步地激活，并且第一低侧开关103和第二低侧开关107基本上被同步地激活。

图4示出了图3的转换器的操作。参考波形201，第一高侧开关102提供栅极信号，该栅极信号在203中的负载释放阶跃之后产生脉冲400。脉冲400接通第一高侧开关102并关断第一低侧开关103。在该条件下，负极性的电压v2出现在第二电感器108两端。在不丧失一般性的同时，为了简单起见，可以假设l2＝l1/n²＝ls，其中l1是第一电感器104的电感，并且l2是第二电感器108的电感。然后，求解第二电感器108两端的电压：

其中vg＝(vin-vc)/n，zs＝sls，并且zm＝slm。此处，lm是输出绕组302的电感。可使电压v2显著大于vo，并且电流204以大得多的速率(即-v2/l2)开始向下转换。因此，电流205以转换速率[vin-vc-n(v2-vo)]/l1增大。电流i2(如图3所示)变得快速转移到输入绕组301中，并且递送到输出去耦电容器109的过量电荷207变得最小。

因此，减少了输出电压206中的负载释放过冲。存储在第一电感器104和耦合电感器300中的过量能量被中间去耦电容器105进一步吸收。vc(如图3所示)中的对应过冲被调节输出电压vo的控制回路进一步拒绝，因此其对vo的影响最小。

图4也示出了图3的转换器的示例性控制方法而不丧失该方法的一般性。栅极驱动信号被激活，从而在输出电压vo超过阈值von时生成脉冲400。当vo降至低于阈值voff(该阈值等于或低于von)时，脉冲400终止。因此，可以说电流204在脉冲400结束时反转其方向，并且输出电压vo以voff的最佳选择快速稳定在其编程量值附近。当输出电压vo超过第一阈值时，第一高侧开关102和第二低侧开关107被并发地激活。当输出电压vo降至低于第二阈值时，第一高侧开关102被去激活。

图5示出了本公开的另一个实施方案，其中耦合电感器300的输入绕组301与输出绕组302之间的耦合系数k小于1。绕组301和302的所得漏电感用作图3的转换器的第一电感器104和第二电感器108。本领域的技术人员可以理解，图3和图5的转换器是优选实施方案的两个极端具体实施，并且实际设计可以利用耦合电感器300以及第一电感器104和第二电感器108的漏电感。

在一个实施方案中，第一电感器104由耦合电感器300的输入绕组301的漏电感部分地贡献。在一个实施方案中，第一电感器104由耦合电感器300的输入绕组301的漏电感完全地贡献。在另一个实施方案中，第二电感器108由耦合电感器300的第二绕组302的漏电感部分地贡献。在另一个实施方案中，第二电感器108由耦合电感器300的第二绕组302的漏电感完全地贡献。

无论在何处可用，本发明所公开的装置和方法都可应用于相反的情况，即，以加速正负载阶跃响应并减少对应下冲。图6示出了本公开的该方面。在该实施方案中，栅极信号g1在负载阶跃之后产生关断脉冲600，从而导致电流204的快速增大以及电流205的相应快速减小。在该实施方案中，当输出电压vo降至低于第三阈值时，第一低侧开关103和第二高侧开关106被并发地激活。当输出电压vo超过第四阈值时，第一低侧开关103被去激活。

在一个实施方案中，提供了一种用于从输入电压源接收输入电压并用于将输出电压递送到负载的级联降压转换器。该转换器包括：第一电感器104；第二电感器108；耦合电感器300，该耦合电感器具有与第一电感器104串联连接的第一绕组301和与第二电感器108串联连接的第二绕组302；中间去耦电容器105，该中间去耦电容器用于从第一电感器104和第一绕组301接收能量并且用于向第二电感器108和第二绕组302供应能量；和输出去耦电容器109，该输出去耦电容器用于使负载110处的输出电压平滑化。

在一个实施方案中，级联降压转换器还包括：第一高侧开关102，该第一高侧开关用于使第一电感器104和第一绕组301从输入电压源101通电；第一低侧开关103，该第一低侧开关用于通过跨中间去耦电容器105连接第一电感器104和第一绕组301来使该第一电感器和第一绕组断电；第二高侧开关106，该第二高侧开关用于使第二电感器108和第二绕组302从中间去耦电容器105通电；和第二低侧开关107，该第二低侧开关用于通过跨输出去耦电容器109连接第二电感器108和第二绕组302来使该第二电感器和第二绕组断电，其中第一高侧开关102和第二高侧开关106基本上被同步地激活，并且其中第一低侧开关103和第二低侧开关107基本上被同步地激活。

在另一个实施方案中，第一电感器104由耦合电感器300的第一绕组301的漏电感部分地贡献。

在另一个实施方案中，第一电感器104由耦合电感器300的第一绕组301的漏电感完全地贡献。

在另一个实施方案中，第二电感器108由耦合电感器300的第二绕组302的漏电感部分地贡献。

在另一个实施方案中，第二电感器108由耦合电感器300的第二绕组302的漏电感完全地贡献。

在另一个实施方案中，当输出电压超过第一阈值时，第一高侧开关102和第二低侧开关107被并发地激活。

在另一个实施方案中，当输出电压降至低于第二阈值时，第一高侧开关102被去激活。

在另一个实施方案中，当输出电压降至低于第三阈值时，第一低侧开关103和第二高侧开关106被并发地激活。

在另一个实施方案中，当输出电压超过第四阈值时，第一低侧开关103被去激活。

在另一个实施方案中，第一绕组301和第二绕组302之间的耦合系数等于1。

在另一个实施方案中，第一绕组301和第二绕组302之间的耦合系数小于1。

在另一个实施方案中，第一绕组301和第二绕组302的漏电感用作第一电感器104和第二电感器108。

在另一个实施方案中，中间去耦电容器105被配置为吸收存储在第一电感器104和耦合电感器300中的过量能量。

在另一个实施方案中，第一绕组301和第二绕组302具有基本上等于级联降压转换器300的占空比的倒数的匝数比。