非隔离模块化串联降压变换器拓扑及其多态工作方法

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种非隔离模块化串联降压变换器拓扑及其多态工作方法

背景技术：

1、传统的降压(buck)变换器因其简单的拓扑结构、完善的控制方式、良好的动态响应等优势得到及其广泛应用。但在面向数据中心、高性能计算等多种新型应用场景中，对变换器的转换效率、工作频率等提出了进一步的要求，亟需一种新的降压变换器方案来提升系统的性能。

2、随着先进半导体制造技术的发展，低压mos开关器件的品质因数得到了显著提升，器件可以具有更快的工作频率、更小的驱动损耗、更小的导通损耗，开关器件的进步使得变换器性能的全面提升成为可能。但是在一种给定的拓扑中，开关管的耐压要求全部已经确定，为了使更低压的管子得以应用，往往需要开发全新拓扑，例如在功率路径中插入电容来进行降压，或者构造前级变换器预先进行降压。前者由于电容需要承担功率路径中的大电流，而电容电压纹波又与容值和电流相关，需要大容值、低esr的电容来承担分压任务，同时对电容的可靠性提出了较大要求；后者在设计中更为复杂，且两级架构对系统效率有较大的影响。此外，在飞跨电容型拓扑的启动过程中，往往需要对飞跨电容进行预充电以保证后续的正常工作，导致了其需要具有较为复杂的启动控制，且部分开关管需要短时承受高电压不能全程工作在低电压的稳态工作点。

3、另一种应用更低压开关管的方案为器件串联，它不需要对系统拓扑进行较大的改动，具有可以沿用控制器等优势，在5kv及以上高压场景中已经得到了广泛应用。器件串联面临的挑战主要有器件动静态均压、失效保护等，但是在<40v的低压领域中，由于器件工作频率较高(几百khz，几mhz)，对效率要求高，器件串联需要使用到的均压技术在低压领域有诸多限制。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种模块化串联降压变换器拓扑及其多态工作方法，通过模块化串联的方式改善器件直接串联带来的局限，以适用于高性能低压非隔离降压变换器。

2、为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

3、本发明首先提供了一种非隔离模块化串联降压变换器拓扑，包括输入电容器、上桥臂、下桥臂、滤波电感器以及输出电容器；

4、所述上桥臂和下桥臂具有相同的电路结构，均包括n个串联的开关子模块；所述开关子模块包括第一开关管、第二开关管和均压电容器；第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，均压电容器的一端连接第一开关管的漏极，另一端连接第二开关管的源极，第一开关管与第二开关管连接处设置有输入端口，均压电容器与第二开关管的源极连接处设置有输出接口；当第一开关管导通，第二开关管关断时，均压电容器投入电路工作，开关子模块输出为均压电容器电压；当第一开关管关断，第二开关管导通时，均压电容器被旁路，开关子模块输出为0v；

5、在上桥臂或下桥臂中，各个开关子模块的输出端口连接下一开关子模块的输入端口，实现串联连接；所述上桥臂的开关子模块与下桥臂的开关子模块开关管参数不同；上桥臂的第1个开关子模块的输入端口与输入源正极即输入电压vin连接，上桥臂的第n个开关子模块的输出端口与下桥臂的第1个开关子模块的输入端口连接，并通过滤波电感器与输出电容器的上级板和输出电压vo共接，所述下桥臂第n个开关子模块的输出端口与输入源负极、输出电容器的下极板和地线gnd共接。理想状态下，开关子模块均压电容器的电压为vin/n。

6、作为本发明的优选方案，所述开关子模块电路开关管参数主要为导通阻抗和栅极电荷参数。

7、作为本发明的优选方案，开关子模块中的第一开关管与第二开关管采用一对互补的信号驱动，所述互补的信号驱动中间留有死区。上桥臂第i个开关子模块驱动信号和下桥臂第i个开关子模块也采用一对互补的信号驱动，所述互补的信号驱动中间留有死区；其中1≤i≤n。

8、本发明还提供了一种基于上述非隔离模块化串联降压变换器拓扑的多态工作方法，对上桥臂或下桥臂n个开关子模块的驱动信号进行依次延时t，实现对所述变换器拓扑进行多模态工作控制：

9、当t＝0时，变换器拓扑的上桥臂和下桥臂各开关子模块同步工作，开关节点vsw为输入电压vin或0v实现两电平工作，表示为模块化两电平变换器；

10、当0＜t＜d*ts时，变换器拓扑实现多电平工作，多个占空比叠加可以实现变换器的电磁兼容emi性能改善，表示为第一类模块化多电平变换器，其中d为电路工作占空比，ts为开关周期；

11、当d*ts＜t＜(1-d)/(n-1)*ts时，变换器拓扑实现开关节点电压降低n倍的多电平工作，且实现开关节点的n倍频，表示为第二类mmc，且在t＝ts/n时具有最小的电感纹波。

12、作为本发明的优选方案，当t＝0时，变换器拓扑实现两电平工作具体为：控制上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通或关断；当上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通时，下桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时关断，开关节点vsw为0v；当上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时关断时，下桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通，开关节点vsw为输入电压vin。

13、作为本发明的优选方案，当0＜t＜d*ts时，变换器拓扑实现多电平工作具体为：多个占空比叠加，开关节点的电压跳变从0v到输入电压vin转变为均压电容器电压vin/n阶梯0-vin/n-2vin/n-…-vin，由此减小了开关节点的电压变化速度dv/dt并实现了emi性能的改善。

14、作为本发明的优选方案，当d*ts＜t＜(1-d)/(n-1)*ts时，各个开关子模块输出的电压不再交叠，变换器拓扑实现开关节点电压降低n倍的多电平工作，且实现开关节点的n倍频。更为优选的是，在t＝ts/n时，变换器拓扑可以实现最小的电感纹波。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、1)本发明的模块化串联降压拓扑通过配置驱动信号，能够工作在多种工作模态以适应不同的工作场景；在延时t＝0的两电平工作模态下，通过模块的串联替代器件的直接串联，通过均压电容器的加入，将原本具有小电容的串联开关器件直接均压，转换为了对大电容的均压控制。实现了串联的稳定可控，相对于在功率路径中串入电容的电容降压型拓扑，大幅减小了通过流经电容的电流应力，可以使用容量更小的均压电容，减小电容体积，提升了系统的功率密度，提高电容可靠性；

17、2)本发明的模块化串联降压拓扑在延时0＜t＜d*ts的多电平工作模态下，变换器开关节点的电压跳变幅度减小，emi性能得到优化，当d*ts＜t＜(1-d)/(n-1)*ts时，开关节点电压降低为输入电压的1/n倍，频率提高为n倍开关频率，大幅减小了滤波电感器的应力，可以极大优化电感体积。

18、3)在启动过程中，利用第一开关管的体二极管能够实现电容的预启动充电功能，并通过串联电容实现均压功能。

技术特征：

1.一种非隔离模块化串联降压变换器拓扑，其特征在于，包括输入电容器、上桥臂、下桥臂、滤波电感器以及输出电容器；

2.根据权利要求1所述的非隔离模块化串联降压变换器拓扑，其特征在于，所述开关子模块的第一开关管为nmos或pmos，第二开关管为nmos。

3.根据权利要求1所述的非隔离模块化串联降压变换器拓扑，其特征在于，开关子模块中的第一开关管与第二开关管采用一对互补的信号驱动，所述互补的信号驱动中间留有死区。

4.根据权利要求1所述的非隔离模块化串联降压变换器拓扑，其特征在于，上桥臂第i个开关子模块和下桥臂第i个开关子模块采用一对互补的驱动信号，所述互补的信号驱动中间留有死区；其中1≤i≤n。

5.一种基于权利要求1所述的非隔离模块化串联降压变换器拓扑的多态工作方法，其特征在于：对上桥臂或下桥臂n个开关子模块的驱动信号进行依次延时t，实现对所述变换器拓扑进行多模态工作控制：

6.根据权利要求5所述的多模态控制方法，其特征在于：当t＝0时，变换器拓扑实现两电平工作具体为：控制上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通或关断；当上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通时，下桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时关断，开关节点vsw为0v；当上桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时关断时，下桥臂的n个开关子模块的第一开关管同时导通，开关节点vsw为输入电压vin。

7.根据权利要求5所述的多模态控制方法，其特征在于：当0＜t＜d*ts时，变换器拓扑实现多电平工作具体为：多个开关子模块输出占空比和电压叠加，开关节点的电压跳变从0v到输入电压vin转变为均压电容器电压vin/n阶梯0-vin/n-2vin/n-…-vin，由此减小了开关节点的电压变化速度dv/dt并实现了emi性能的改善。

8.根据权利要求5所述的多模态控制方法，其特征在于：当d*ts＜t＜(1-d)/(n-1)*ts时，各个开关子模块输出的占空比和电压不再交叠，变换器拓扑实现开关节点电压降低n倍的多电平工作，且实现开关节点的n倍频。

9.根据权利要求8所述的多模态控制方法，其特征在于：在t＝ts/n时变换器拓扑可以实现最小的电感纹波。

技术总结
本发明公开了一种非隔离模块化串联降压变换器拓扑及其多态工作方法，主要包含输入电容器，n个上桥臂开关子模块组成的上桥臂、n个下桥臂开关子模块组成的下桥臂，滤波电感器以及输出电容器。通过配置驱动信号，能够工作在多种工作模态以适应不同的工作场景；大幅减小了通过流经电容的电流应力，可以使用容量更小的均压电容，减小电容体积，提升了系统的功率密度，提高电容可靠性。

技术研发人员：李武华,杜禹侃,任晟道,苏亦芃,李楚杉,屈万园
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16