电源转换器及其操作方法与流程

1.本技术涉及电源转换器的技术领域，尤其涉及电源转换器及其操作方法，更具体地涉及多相电源转换器。


背景技术：

2.数据中心，特别是具有混合电信设备和服务器的数据中心，正在朝向在40v到60v范围内(例如，48v)的支架内分配电力转变，而大多数服务器被指定为接收严格监管的12v作为供电电压。随着转变的继续，需要以高效率(例如，98％或更大)将40v到60v的所分配电力转换成严格监管的12v并且易于缩放的电源转换器。


技术实现要素：

3.一个示例是一种操作电源转换器的方法，该方法包括：在第一接通时间期间，通过第一切换储能电路对第一输出电感器充电，该第一切换储能电路限定耦接到谐振电感器的第一引线的第一开关节点；在该第一接通时间期间，通过该谐振电感器向该第一切换储能电路中产生第一电流；以及然后在第二接通时间期间，通过第二切换储能电路对第二输出电感器充电，该第二切换储能电路限定耦接到该谐振电感器的第二引线的第二开关节点；以及在该第二接通时间期间，通过该谐振电感器向该第二切换储能电路中产生第二电流。
4.在该示例性方法中，该第一接通时间可以是通过该谐振电感器的周期性电流的谐振周期的约一半。
5.该示例性方法还可包括：以一定切换频率重复该第一输出电感器的该充电；并且其中该切换频率低于通过该谐振电感器的该周期性电流的谐振频率。该第二接通时间可以是该周期性电流的该谐振周期的约一半。
6.该示例性方法还可包括：在该第一接通时间期间，通过该第一电流减小通过该第一切换储能电路的上电控开关的电流；以及然后通过使该上电控开关不导电来结束该第一接通时间。减小通过该上电控开关的电流还可包括：使通过该上电控开关的电流反向。在该第二接通时间期间，该方法还可包括：通过该第二电流减小通过该第二切换储能电路的顶部电控开关的电流；以及然后通过使该顶部电控开关不导电来结束该第二接通时间。减小通过该顶部电控开关的电流还可包括：使通过该第二切换储能电路的该顶部电控开关的电流反向。
7.该示例性方法还可包括：在该第二接通时间期间，通过该第二电流减小通过该第二切换储能电路的顶部电控开关的电流；以及然后通过使该顶部电控开关不导电来结束该第二接通时间。减小通过该顶部电控开关的电流还可包括：使通过该第二切换储能电路的该顶部电控开关的电流反向。
8.该示例性方法还可包括：在对该第一输出电感器充电和对该第二输出电感器充电之间，至少部分地均衡该第一切换储能电路的第一泵电容器的电压和该第二切换储能电路的第二泵电容器的电压。
9.另一个示例是一种电源转换器，该电源转换器包括：谐振电感器，该谐振电感器具有第一引线和第二引线；第一切换储能电路，该第一切换储能电路限定耦接到第一泵电容器的第一引线的第一充电节点、耦接到该第一泵电容器的第二引线的第一相位节点以及耦接到该谐振电感器的该第一引线的第一开关节点；第一输出电感器，该第一输出电感器具有耦接到该第一相位节点的第一引线和耦接到电压输出的第二引线；第二切换储能电路，该第二切换储能电路限定耦接到第二泵电容器的第一引线的第二充电节点、耦接到该第二泵电容器的第二引线的第二相位节点以及耦接到该谐振电感器的该第二引线的第二开关节点；第二输出电感器，该第二输出电感器具有耦接到该第二相位节点的第一引线和耦接到该电压输出的第二引线；控制器，该控制器耦接到该第一切换储能电路和该第二切换储能电路。该控制器可被配置为：以一定切换频率、第一接通时间和第一相位操作该第一切换储能电路；以该切换频率、第二接通时间和不同于该第一相位的第二相位操作该第二切换储能电路；并且其中该第一接通时间是谐振周期的约一半，谐振电路包括该第一泵电容器、该谐振电感器和该第二泵电容器。
10.在该示例性电源转换器中，该控制器可被进一步配置为使得该第二接通时间是该谐振电路的该谐振周期的约一半。
11.在该示例性电源转换器中，该第一接通时间可等于该第二接通时间。
12.在该示例性电源转换器中，该第一泵电容器、该谐振电感器和该第二泵电容器可具有较长的谐振周期和较短的谐振周期，并且其中该第一接通时间可以是该较长的谐振周期的约一半。
13.在该示例性电源转换器中，该第一泵电容器、该谐振电感器和该第二泵电容器可具有较低谐振频率和较高谐振频率，并且其中该切换频率可低于该较低谐振频率。
14.在该示例性电源转换器中，该第一切换储能电路还可包括：上电控开关，该上电控开关具有耦接到电压输入的第一连接、限定该第一充电节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；上中电控开关，该上中电控开关具有耦接到该第一充电节点的第一连接、限定该第一开关节点的第二连接、耦接到该控制器的控制输入；下中电控开关，该下中电控开关具有耦接到该第一开关节点的第一连接、限定该第一相位节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；以及下电控开关，该下电控开关具有耦接到该第一相位节点的第一连接、耦接到参考电压的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入。
15.在该示例性电源转换器中，该第二切换储能电路还包括：顶部fet，该顶部fet具有耦接到电压输入的第一连接、限定该第二充电节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；顶部中间fet，该顶部中间fet具有耦接到该第二充电节点的第一连接、限定该第二开关节点的第二连接、耦接到该控制器的控制输入；底部中间fet，该底部中间fet具有耦接到该第二开关节点的第一连接、限定该第二相位节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；以及底部fet，该底部fet具有耦接到该第二相位节点的第一连接、耦接到参考电压的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入。该第一切换储能电路还可包括：上fet，该上fet具有耦接到电压输入的第一连接、限定该第一充电节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；上中fet，该上中fet具有耦接到该第一充电节点的第一连接、限定该第一开关节点的第二连接、耦接到该控制器的控制输入；下中fet，该下中fet具有耦接到该第一开关节点的第一连接、限定该第一相位节点的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入；以及下
fet，该下fet具有耦接到该第一相位节点的第一连接、耦接到参考电压的第二连接以及耦接到该控制器的控制输入。
附图说明
16.为了详细描述示例实施方案，现在将参照附图，在附图中：
17.图1示出了根据至少一些实施方案的电源转换器；
18.图2a示出了根据至少一些实施方案的电源转换器在示例性左切换储能电路的接通时间期间的电气原理图；
19.图2b示出了根据至少一些实施方案的电源转换器在示例性左切换储能电路的接通时间期间的电气原理图；
20.图3示出了根据至少一些实施方案的时序图；
21.图4示出了根据至少一些实施方案的电源转换器在示例性左切换储能电路的接通时间和断开时间之间的死区时间期间的电气原理图；
22.图5示出了根据至少一些实施方案的电源转换器在相位之间的重置时间期间的电气原理图；
23.图6示出了根据至少一些实施方案的电源转换器在右切换储能电路的断开时间和接通时间之间的死区时间期间的电气原理图；并且
24.图7示出了根据至少一些实施方案的方法。
25.定义
26.各种术语用来指特定系统部件。不同公司可用不同名称来指一种部件
–
本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于
……”
。另外，术语“耦合”或“耦接”旨在意指间接连接或直接连接。因此，如果第一器件耦接到第二器件，则该连接可通过直接连接或通过经由其他器件和连接的间接连接进行。
27.关于所叙述参数的“约”应意指所叙述参数加上或减去所叙述参数的百分之十(+/-10％)。
[0028]“生效”应意指更改布尔信号的状态。根据电路设计者的判断，布尔信号可生效为高电平或具有较高电压，并且布尔信号可生效为低电平或具有较低电压。类似地，“解除生效”应意指将布尔信号的状态更改为与生效状态相反的电压电平。
[0029]“fet”应意指场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体fet(mosfet))。
[0030]“控制器”应单独或组合地意指被配置为读取输入并且响应这些输入驱动输出的单独电路部件、专用集成电路(asic)、具有控制软件的微控制器、精简指令集计算(risc)、数字信号处理器(dsp)、具有控制软件的处理器、可编程逻辑器件(pld)或现场可编程栅极阵列(fpga)。
[0031]
附图中的许多电连接被示出为没有中间器件的直接耦接，但在下面的描述中并未如此明确说明。然而，对于在附图中被示出为没有中间器件的电连接，该段落应当用于支持在权利要求中引用任何电连接作为“直接耦接”。
[0032]
就电气设备(无论是独立式还是作为集成电路的一部分)而言，术语“输入”和“输出”是指到电气设备的电连接，并且不应被视为需要操作的动词。例如，差分放大器(诸如运
算放大器)可具有第一差分输入和第二差分输入，并且这些“输入”限定到运算放大器的电连接，并且不应被理解为需要运算放大器的信号输入。
具体实施方式
[0033]
本技术要求2021年3月18日提交的标题为“multiphase power converter with clc resonant circuit(具有clc谐振电路的多相电源转换器)”的临时申请第63/200,622号的权益。该临时申请以引用方式并入本文，如同在下面完全再现。
[0034]
以下讨论涉及本发明的各种实施方案。虽然这些实施方案中的一个或多个实施方案可能是优选的，但所公开的实施方案不应解释为或以其他方式用来限制包括权利要求书在内的本公开的范围。另外，本领域技术人员应当理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅意指该实施方案的示例，而并非旨在表示包括权利要求书在内的本公开的范围限于该实施方案。
[0035]
各种示例涉及具有电容器-电感器-电容器(clc)谐振电路的多相电源转换器。特别地，示例性电源转换器可使用clc谐振电路来帮助在每个相中实现电控开关的软切换。更特别地，示例性电源转换器利用具有耦接在相应开关节点之间的谐振电感器的多个切换储能电路。与每个切换储能电路中的泵电容器组合，谐振电感器谐振并产生谐振电流。谐振电流可用于在第一相期间减小通过第一切换储能电路的至少一个电控开关的电流，并且谐振电流可用于在第二相期间减小通过第二切换储能电路的至少一个电控开关的电流。说明书首先转向示例性系统以对读者起到指导作用。
[0036]
图1示出了示例性电源转换器100。特别地，该示例性电源转换器100包括电压输入v
in
和电压输出v
out
。在示例性情况下，电压输入v
in
在约40v至约60v的范围内，并且标称地为约48v。对于给定电压输入v
in
，在许多情况下，电压输出v
out
可以是约12v，但电压输出v
out
可按电路设计者的意愿选择(下文更详细地论述)。示例性电源转换器100还包括切换储能电路102、切换储能电路104和控制器106。在下文中，切换储能电路102将被称为左切换储能电路102，并且右切换储能电路104将被称为右切换储能电路104，但左和右的指定是任意的并且不应被理解为需要任何特定的物理布局。
[0037]
左切换储能电路102包括一系列电控开关。在示例性系统中，电控开关例示性地被示出为fet。在下文中，电控开关被称为fet，且应理解，可使用任何合适的电控开关(例如，结式晶体管、任何合适种类的fet)。特别地，左切换储能电路102包括上fet 108、上中fet 110、下中fet 112和下fet 114。上fet 108具有耦接到电压输入v
in
的第一连接或漏极、限定充电节点116的第二连接或源极以及耦接到控制器106的控制输入或栅极。上中fet 110具有耦接到充电节点116的第一连接或漏极、限定开关节点118的第二连接或源极、通过逻辑非门122耦接到控制器106的控制输入或栅极。下中fet 112具有耦接到开关节点118的第一连接或漏极、限定相位节点120的第二连接或源极以及耦接到控制器106的控制输入。下fet 114具有耦接到相位节点120的第一连接或漏极、耦接到参考电压(例如，接地或公共电压)的第二连接或源极以及通过逻辑非门122耦接到控制器106的控制输入。左切换储能电路102还包括泵电容器124，该泵电容器具有耦接到充电节点116的上引线和耦接到相位节点120的下引线。左切换储能电路102还包括输出电感器126，该输出电感器具有耦接到相位节点120的上引线和限定输出电压v
out
的下引线。输出电压v
out
耦接到输出电容器128和负载，
该负载例示性地被示出为电阻器130。
[0038]
右切换储能电路104包括同样例示性地被示出为fet的一系列电控开关。关于右切换储能电路104中的fet，本说明书使用“顶部”和“底部”术语作为命名惯例，以减少与左切换储能电路102中的类似位置的fet的混淆。特别地，右切换储能电路104包括顶部fet 132、顶部中间fet 134、底部中间fet 136和底部fet 138。顶部fet 108具有耦接到电压输入v
in
的第一连接或漏极、限定充电节点140的第二连接或源极以及耦接到控制器106的控制输入或栅极。顶部中间fet 134具有耦接到充电节点140的第一连接或漏极、限定开关节点142的第二连接或源极以及通过逻辑非门144耦接到控制器106的控制输入或栅极。底部中间fet 136具有耦接到开关节点142的第一连接或漏极、限定相位节点146的第二连接或源极以及耦接到控制器106的控制输入。底部fet 138具有耦接到相位节点146的第一连接或漏极、耦接到参考电压的第二连接或源极以及通过逻辑非门144耦接到控制器106的控制输入。右切换储能电路104还包括泵电容器148，该泵电容器具有耦接到充电节点140的顶部引线和耦接到相位节点146的底部引线。右切换储能电路104还包括输出电感器150，该输出电感器具有耦接到相位节点146的顶部引线和同样限定输出电压v
out
的底部引线。
[0039]
示例性电源转换器100还包括谐振电感器152，该谐振电感器耦接切换储能电路的开关节点。特别地，谐振电感器152具有耦接到左切换储能电路102的开关节点118的左引线，以及耦接到右切换储能电路104的开关节点142的右引线。如下文将更详细地论述，并且在电源转换器100的操作期间的某些时间，谐振电感器152产生周期性电流，该周期性电流通过谐振电感器152在左切换储能电路102的泵电容器124和右切换储能电路104的泵电容器148之间流动。换句话说，谐振电流在操作期间的某些时间(例如，左切换储能电路102的接通时间)流入左切换储能电路102中，并且谐振电流在操作期间的某些时间(例如，右切换储能电路104的接通时间)流入右切换储能电路104中。流入相应切换储能电路的谐振电流可用于减小通过fet中的至少一些fet(例如，上fet 108和顶部fet 132)的电流，使得那些fet可被软切换。也就是说，在一些情况下，可在流过fet的低电流或零电流下断开fet。换句话说，可在fet两端的低电压或零电压下断开fet。
[0040]
本说明书现在转向对电源转换器100的操作的逐步解释。在以下附图中，当fet导电时，fet将被示出为短路，并且当fet不导电时，fet将被示出为开路(或仅fet体二极管)。此外，在下文中，省略了控制器106，以免使附图进一步复杂；然而，应理解，控制器106通过在适当时间使示例性fet的栅极生效来控制整个过程。该解释假定电源转换器100已经操作一段时间，使得启动操作考虑因素不是问题。本说明书中稍后将解决启动问题。
[0041]
在操作中，每个切换储能电路具有其中切换储能电路对其相应输出电感器充电的接通时间。例如，在左切换储能电路102的接通时间期间，左输出电感器126被充电。左输出电感器126在接通时间以及接通时间之间的至少一部分时间期间向电压输出v
out
提供电流。类似地，在右切换储能电路104的接通时间期间，右输出电感器150被充电。因此，右输出电感器150在接通时间以及接通时间之间的至少一部分时间期间向电压输出v
out
提供电流。左切换储能电路102的接通时间以一定切换频率开始，并且类似地，右切换储能电路104的接通时间以该切换频率开始。然而，左切换储能电路102和右切换储能电路104以不同的相位关系操作。特别地，在操作相同切换频率时，在示例性情况下，切换储能电路的接通时间以180
°
度相位关系间隔。
[0042]
图2a示出了电源转换器100在左切换储能电路102的接通时间(下文称为“左接通时间”)期间的电气原理图。特别地，恰好在左接通时间之前，左泵电容器124保持非零电压。在大多数情况下，恰好在左接通时间之前，左泵电容器124上的电压具有的电压为电压输入的约一半(例如，约v
in
/2)。当左接通时间开始时，上fet 108和下中fet 112通过其相应栅极的同时生效而成为导电的。使上fet 108和下中fet 112导电将在左泵电容器124上保持的电压泵送到相位节点120并且因此泵送到左输出电感器126。
[0043]
由于谐振电感器152的电感和输出电感器126的电感，左切换储能电路102中的电流最初如图2a所示。也就是说，最初，谐振电感器152中的谐振电流从左切换储能电路102朝向右切换储能电路104流出，如箭头200所示。此外，输出电感器126产生朝向电压输出v
out
的电流，如箭头202所示。因此，初始电流由泵电容器124提供，如箭头204所示，并且对应电流通过上fet 108，如箭头206所示。
[0044]
在左接通时间期间，右切换储能电路中的某些电控开关也是导电的。特别地，在左接通时间期间，顶部中间fet 134和底部fet 138是导电的。因此，谐振电感器152与左泵电容器124和右泵电容器148两者串联耦接。更特别地，泵电容器124的上引线耦接到电压输入v
in
(通过上fet 108)，左泵电容器124的下引线耦接到谐振电感器152的左引线(通过下中fet 112)，谐振电感器152的右引线耦接到泵电容器148的顶部引线(通过顶部中间fet 134)，并且泵电容器148的底部引线耦接到参考电压(通过底部fet 138)。因此，左泵电容器124、谐振电感器152和右泵电容器148形成clc谐振电路。随着左接通时间的继续，clc谐振电路的谐振使通过谐振电感器152的电流从图2a所示的情况反向，使得谐振电流最终流入左切换储能电路102。
[0045]
图2b示出了电源转换器100在示例性左接通时间的稍后部分期间的电气原理图。特别地，由于clc谐振电路，通过谐振电感器152的电流的方向改变方向，使得电流进入左切换储能电路102(例如，进入开关节点118)。也就是说，谐振电感器152中的谐振电流从右切换储能电路104朝向左切换储能电路102流出，如箭头208所示。左输出电感器126仍然产生朝向电压输出v
out
的电流，如箭头202所示。然而，与左泵电容器124有关的电流改变方向，使得电流流向左泵电容器124，如箭头210所示。根据示例性系统，左接通时间的稍后部分中的谐振电流对左泵电容器124充分充电以减小通过上fet 108的电流。在一些示例性情况下，从电压输入v
in
通过上fet 108到泵电容器124的电流减小到零，并且在其他情况下，通过上fet 108的电流反转方向，如箭头212所示。不论通过上fet 108的电流的减小的精确幅度如何(包括反转)，一旦发生电流减小，左接通时间就通过使上fet 108和下中fet 112不导电而结束。然而，由于减小的电流，使上fet 108不导电是相较于中断通过上fet 108的显著电流减小功率损耗的软切换事件。
[0046]
图3示出了示例性时序图。特别地：曲线300示出了施加到上fet 108和下中fet 112的控制输入的示例性左接通时间信号(tonl)；曲线302示出了施加到上中fet 110和下fet 114的控制输入的示例性左断开时间信号(toffl)；曲线304示出了施加到顶部fet 132和底部fet 138的控制输入的示例性右接通时间信号(tonr)；并且曲线306示出了施加到顶部中间fet 134和底部fet 138的控制输入的示例性右断开时间信号(toffr)。曲线300、302、304和306中的每个信号是布尔信号，并且例示性地被示出为生效为高。然而，信号的生效状态可根据电路设计者的意愿并且基于所实现电控开关的类型采用任何合适的形式(例
如，生效为低)。遵循上文关于左接通时间引入的命名惯例，左切换储能电路102的断开时间被称为左断开时间。类似地，右切换储能电路104的接通时间被称为右接通时间，并且右切换储能电路104的断开时间被称为右断开时间。
[0047]
如上所论述，接通时间以具有切换周期的切换频率发生。例如，左接通时间以一定切换频率发生，该切换频率是示例性左接通时间tonl信号的任何两个对应特征(例如，如图所示的上升边缘)之间示出的切换周期p的倒数。类似地，右接通时间以一定切换频率发生，该切换频率是示例性右接通时间tonr信号的任何两个对应特征(例如，如图所示的上升边缘)之间的切换周期p的倒数。图3还示出虽然接通时间以相同的切换频率发生，但接通时间以不同的相位关系(例如，180
°
度)发生。
[0048]
如参考图1通过逻辑非门122所提及的，左断开时间信号toffl是左接通时间信号tonl的逆或逻辑非。特别地，左断开时间信号toffl在左接通时间信号tonl解除生效时生效，且反之亦然。为了避免穿通，示例性系统可在tonl和toffl信号的生效之间实施死区时间。在图3的示例性时序图中，左断开时间信号toffl在时间t3处解除生效，并且在死区时间(例如，约40纳秒(ns))之后，左接通时间信号在时间t4处生效。在左接通时间tonl结束时，左接通时间信号tonl在时间t5处解除生效，并且在死区时间之后，左断开时间信号toffl在时间t6处生效。
[0049]
类似地，右断开时间信号toffr是右接通时间信号tonr的逆或逻辑非。特别地，右断开时间信号toffr在右接通时间信号tonr解除生效时生效，且反之亦然。同样地，为了避免穿通，示例性系统可在tonr和toffr信号的生效之间实施死区时间(例如，约40ns)。在图3的示例性时序图中，右接通时间信号tonr在时间t1处解除生效，并且在死区时间之后，右断开时间信号toffr信号在时间t2处生效。在右断开时间toffr结束时，右断开时间信号toffr在时间t7处解除生效，并且在死区时间之后，右接通时间信号tonr在时间t8处生效。
[0050]
此外，由于基于以下讨论将变得清楚的原因，左切换储能电路102和右切换储能电路104之间的状态变化也可实施重置时间。在图3的示例性时序图中，右接通时间信号tonr在时间t1处解除生效，并且右断开时间信号toffr在时间t2处生效，并且在重置时间(例如，在t2和t3之间)之后，左断开时间信号toffl在时间t3处解除生效，并且左接通时间信号tonl在时间t4处生效。类似地，在循环中的稍后时间，左接通时间信号tonl在时间t5处解除生效，并且左断开时间信号toffl在时间t6处生效，并且在重置时间之后，右断开时间信号toffr在时间t7处解除生效，并且右接通时间信号tonr在时间t8处生效。
[0051]
仍然参考图3，示例性时序图还示出了在示例性接通时间和断开时间期间感兴趣的若干模拟信号。特别地：曲线308示出了谐振电感器电流(lr)的示例性波形；曲线310示出了与左泵电容器124相关联的电流(泵cl)的示例性波形；曲线312示出了左开关节点118处的电压(开关节点l)的示例性波形；曲线314示出了与右泵电容器148相关联的电流(泵cr)的示例性波形；并且曲线316示出了右开关节点142处的电压(开关节点r)的示例性波形。
[0052]
同时参考图2a、图2b和图3。图2a和图2b分别示出了具有左接通时间开始时和接近左接通时间结束时的示例性电流的电路。示例性左接通时间在图3中被示出为在时间t4处开始。特别地，恰好在时间t4之后，通过谐振电感器的电流lr显示为负。出于本讨论的目的，曲线308中的负电流表示从左切换储能电路102向右切换储能电路104流动的电流。相反，曲线308中的正电流表示从右切换储能电路104向左切换储能电路102流动的电流。然而，通过
谐振电感器152的正电流和负电流的指定是任意的。最初在左接通时间中，谐振电感器152从左切换储能电路102汲取电流。此外，输出电感器126虽然在左接通时间期间被充电，但是仍然向电压输出v
out
提供电流。因此，左接通时间的初始部分中的所有电流由左泵电容器124提供，电流在曲线310中由恰好在时间t4之后的电流中的初始尖峰示出。对应量的电流流过上fet 108(例如，如箭头206所示)。
[0053]
然而，随着示例性左接通时间的继续，谐振电感器152与clc谐振电路的各种电容相互作用，并且因此通过谐振电感器152的电流反转方向并且流入左切换储能电路102，如曲线308所示。当从谐振电感器152向左开关节点118提供的电流增大时，与左泵电容器124和上fet 108相关联的电流相应地减小，如曲线310所示。也就是说，从谐振电感器152到左开关节点118的电流减小通过上fet 108的电流。根据示例性系统和方法，左接通时间的稍后部分中的电流对泵电容器124充分充电以减小通过上fet 108的电流，并且在所示的示例性情况下，通过泵电容器124和上fet 108的电流反转方向，如点320处的反向电流所示。一旦发生电流的减小，示例性左接通时间就在时间t5处结束。由于减小的电流，上fet 108在减小的电流或没有电流的时段期间变得不导电。
[0054]
图4示出了电源转换器100在左死区时间期间的电气原理图。特别地，当左接通时间结束时，上fet 108和下中fet 112变成不导电的。由于左切换储能电路和右切换储能电路之间的相位差，右切换储能电路104的导电状态没有立即改变，并且因此顶部中间fet 134和底部fet 138保持导电。在左接通时间结束时的时刻，谐振电感器152中的谐振电流仍然朝向左切换储能电路102流动。在左切换储能电路102的fet不导电的情况下，谐振电感器152的谐振电流被迫通过上中fet 110和上fet 108的体二极管，如箭头208所示。通过体二极管的电流最初将左开关节点118处的电压驱动到比电压输入v
in
高约1.4v(例如，比v
in
高两个正向电压降)。然而，最终，从左泵电容器124的上引线流出以供应输出电感器126的电流将一定量的谐振电流分流到泵电容器124中。
[0055]
返回图3，特别是t5和t6之间的波形的部分。在时间t5处，左接通时间信号tonl解除生效。谐振电感器152中的谐振电流仍然朝向左切换储能电路102流动，如曲线308所示。谐振电流被迫通过上中fet 110和上fet 108的体二极管，并且因此在左开关节点118处引起电压尖峰，如由曲线312示出为尖峰322。左开关节点118处的电压随着电流被分流到左泵电容器124的上引线中而下降。本说明书现在转向电路在示例性时间t6和t7之间(重置时间)的操作。
[0056]
图5示出了电源转换器100在相位之间的重置时间期间的电气原理图。特别地，在左接通时间信号tonl的解除生效和左断开时间信号toffl的生效之间的死区时间之后，示例性电路实施重置泵电容器124和148的电压的重置时间。特别地，在图5的布置中，左泵电容器124的下引线(通过下fet 114)接地，并且上引线(通过上中fet 110)耦接到谐振电感器152的左引线。在右侧，右泵电容器148的底部引线(通过底部fet 138)接地，并且顶部引线(通过顶部中间fet 134)耦接到谐振电感器152的右引线。图5的布置使得左泵电容器124和右泵电容器148两端的相应电压能够基本上均衡以为即将到来的右接通时间做准备。
[0057]
返回图3，特别是t6和t7之间的波形的部分。在时间t6处，左断开时间信号toffl生效。谐振电感器152中的电流仍然朝向左切换储能电路102流动，但正在减小，如曲线308所示。类似地，通过左泵电容器124的电流正在减小。因此，左开关节点118处的电压在先前电
压尖峰之后稳定，如曲线312所示。特别地，左开关节点118处的电压正在接近为电压输入v
in
的约一半(例如，v
in
/2)的值。以类似方式，右开关节点142处的电压(在时间t5和t6之间的电压骤降之后)稳定，如曲线316所示。特别地，右开关节点142处的电压也正在接近为电压输入v
in
的约一半(例如，v
in
/2)的值。本说明书现在转向电路在示例性时间t7和t8之间(即将到来的右接通时间之前的死区时间)的操作。
[0058]
图6示出了电源转换器100在死区时间期间的电气原理图。特别地，在右断开时间和右接通时间之间的死区时间内，右切换储能电路104中的所有fet都不导电。由于谐振电感器152的电感，在死区时间期间，谐振电流仍然从右切换储能电路104向左切换储能电路102流出，如箭头600所示。由于右切换储能电路104中的示例性fet的不导电状态，谐振电流流过底部fet 138和底部中间fet 136的体二极管。右开关节点142处的电压可下降到比参考电压低约两个二极管正向电压降(例如，约-1.4v)。此外，输出电感器150产生朝向电压输出v
out
的电流，如箭头602所示。
[0059]
返回图3，特别是t7和t8之间的波形的部分。在时间t7处，右断开时间信号toffr解除生效。谐振电感器152中的谐振电流仍然朝向左切换储能电路102流动，如曲线308所示。谐振电流被迫通过底部fet 138和底部中间fet 136的体二极管，并且因此在右开关节点142处引起负电压尖峰，如由曲线316示出为尖峰324。在时间t7和t8之间的死区时间结束之后，右接通时间通过右接通时间信号tonr的生效开始。
[0060]
右接通时间期间的操作的描述复制左接通时间的描述(例如，图2a和图2b)，只是与右侧成镜像。特别地，注意时间t8和t9之间的与右泵电容器148相关联的波形(曲线314)和与右开关节点142相关联的波形(曲线316)如何复制时间t4和t5之间的与左泵电容器124相关联的波形(曲线310)和与左开关节点相关联的波形(曲线312)。也就是说，在右接通时间期间，右输出电感器150被充电。此外，虽然谐振电流最初从右切换储能电路104流出，但谐振电流改变方向并且流向右切换储能电路104，如曲线310所示。右接通时间的稍后部分中的谐振电流对泵电容器148充分充电以减小通过顶部fet 132的电流。在一些示例性情况下，从电压输入v
in
通过顶部fet 132到泵电容器148的电流减小到零，并且在其他情况下，通过顶部fet 132的电流反转方向，如箭头330所示。不论通过顶部fet 132的电流的减小的精确幅度如何(包括反转)，一旦发生电流减小，右接通时间就通过使顶部fet 132和底部中间fet 136不导电而结束。然而，由于减小的电流，使顶部fet 132不导电是相较于中断通过顶部fet 132的显著电流减小功率损耗的软切换事件。
[0061]
因此，在时间t9处，右接通时间信号tonr解除生效，并且示例性电路进入死区时间。右接通时间信号tonr的解除生效和右断开时间信号toffr的生效之间的死区时间期间的操作的描述复制与左接通时间到左断开时间变换(例如，在时间t5和t6之间)相关联的死区时间的描述。特别地，注意时间t9之后的与右泵电容器148相关联的波形(曲线314)和与右开关节点142相关联的波形(曲线316)如何复制时间t5之后的与左泵电容器124相关联的波形(曲线310)和与左开关节点相关联的波形(曲线312)。
[0062]
仍然参考图3，并且特别地，参考示出了通过谐振电感器152的电流的曲线308。在时间t4和t5之间的示例性左接通时间期间，谐振电流完成clc谐振电路的谐振周期的约半周期。更特别地，对于示例性左接通时间，谐振电流在约时间t5处达到正峰值电流。如上所论述，正峰值电流用于减小在左接通时间结束时上fet 108两端的电压和电流。类似地，在
时间t8和t9之间的示例性右接通时间期间，谐振电流完成clc谐振电路的谐振周期的约半周期。更特别地，对于示例性右接通时间，谐振电流在约时间t9处达到负峰值电流。如上所论述，负峰值电流用于减小在右接通时间结束时顶部fet132两端的电压和电流。因此，考虑到泵电容器124和148的电容，将谐振电感器的电感选择成具有约等于左接通时间和右接通时间中的每一者的接通时间的谐振周期。在稳态操作中，左接通时间等于或约等于右接通时间，并且在稳态操作中进一步地，接通时间是恒定的或约为恒定的。
[0063]
然而，事实证明clc谐振电路具有两个谐振频率，并且因此具有两个谐振周期。特别地，clc谐振电路具有由以下方程给出的较高频率谐振：
[0064][0065]
其中fh是较高频率谐振，lr是谐振电感器152的电感，，并且cr是泵电容器的电容(假设泵电容器的电容是相同的)。clc谐振电路还具有由以下方程给出的较低频率谐振：
[0066][0067]
其中f
l
是较低频率谐振，并且其余参数如上所述。
[0068]
当整个电源转换器100的切换频率处于或高于较高频率谐振fh时，电源转换器100的传递函数(例如，v
out
/v
in
的比率)接近一，并且因此不可作为降压转换器操作。然而，当在处于或低于较低频率谐振f
l
下操作时，电源转换器的传递函数(例如，v
out
/v
in
的比率)接近约0.5。此时为了用作降压转换器，将电源转换器100的切换频率选择成处于或低于较低频率谐振f
l
。此外，当切换频率低于较低频率谐振f
l
时，左切换储能电路和右切换储能电路的各种fet可被选择为具有低于电压输入v
in
的漏极到源极击穿电压，因为在操作中，任何单个fet所经历的最高漏极到源极电压为电压输入的约一半(例如，v
in
/2)。例如，即使电压输入v
in
范围的高端为60v，也可选择并使用具有30v漏极到源极击穿电压的fet，这显著降低整个电源转换器100的成本。
[0069]
在设计阶段期间，基于设计的电压输出v
out
选择接通时间。特别地，电源转换器100的占空比可由以下方程给出：
[0070]
d＝v
out
/(v
in
/2)3)
[0071]
其中d是占空比。给定预期电压输入v
in
和选定电压输出v
out
，因此，占空比由方程3)提供。在确定占空比d的情况下，接通时间是切换周期p(图3)乘以占空比d。
[0072]
周期是频率的倒数，并且因此较高频率谐振fh具有较短的周期，并且较低频率谐振f
l
具有较长的周期。谐振电感器152的电感被选择成使得clc谐振电路的谐振周期为接通时间的约两倍，并且同样地，整个电源转换器100的切换频率被选择成低于较低频率谐振f
l
。换句话说，电源转换器100的切换频率应处于或低于较低频率谐振f
l
，并且每个接通时间应具有较低频率谐振f
l
的谐振周期的约一半的持续时间。
[0073]
关于冷启动操作(例如，泵电容器放电并且输出电感器不携载电流)。在初始上电时，示例性系统可利用预充电电路(未具体示出)，其将两个泵电容器预充电到为电压输入的约一半(例如，v
in
/2)的值，以使电路在软启动期间更稳定(下文更详细地论述)。此外，虽然在稳态操作中，左接通时间和右接通时间可以是固定的并且等于谐振周期的约一半，但
是在软启动期间，接通时间最初可较短，并且接通时间可随时间推移朝向最终持续时间斜升，该最终持续时间是clc谐振电路的谐振周期的约一半。在软启动期间，谐振电感器152可携载极少的电流(如果有的话)，并且因此上fet 108和顶部fet 132的电压减小的切换在软启动操作期间可能不可用。
[0074]
如图3所暗示，在稳态操作中并且在标称电压输入v
in
下，接通时间小于切换周期的一半，从而将死区时间以及重置时间考虑在内。换句话说，左接通时间信号tonl的占空比和右接通时间信号tonr的占空比小于50％。然而，在电压输入v
in
的低电压偏移的情况下，控制器106可将占空比增大到高于50％，并且因此增加接通时间，使得左接通时间与右接通时间重叠(且反之亦然)。示例性电源转换器100在这种情况下仍然可以操作；然而，谐振电感器152的谐振电流可能不会与接通时间对准，并且因此上fet 108和顶部fet 132的电压减小的切换在此类低电压偏移期间可能暂时不可用。
[0075]
图7示出了根据至少一些实施方案的方法。特别地，该方法开始(框700)。该示例性方法包括：在第一接通时间期间，通过第一切换储能电路对第一输出电感器充电，该第一切换储能电路限定耦接到谐振电感器的第一引线的第一开关节点(框702)；以及在第一接通时间期间，通过谐振电感器向第一切换储能电路中产生第一电流(框704)。进入第一切换储能电路中的第一电流减小通过电控开关的电流，从而实现软切换。该示例性方法还可包括：在第二接通时间期间，通过第二切换储能电路对第二输出电感器充电，该第二切换储能电路限定耦接到谐振电感器的第二引线的第二开关节点(框706)；以及在第二接通时间期间，通过谐振电感器向第二切换储能电路中产生第二电流(框708)。进入第二切换储能电路中的第二电流减小通过另一电控开关的电流，从而实现软切换。此后，该示例性方法结束(框710)，可能在下一切换周期中重新开始。
[0076]
上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多变型形式和修改形式就将变得显而易见。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式和修改形式。