CN101159411A - 具有多个耦合线圈的多相降压转换器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

具有多个耦合线圈的多相降压转换器

相关申请

[0001]本申请基于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 BUCKCONVERTER DESIGN WITH 2 PHASE COUPLED INDUCTOR)的美国专利，并要求它的权益，本申请要求其优先权并且本文援引其内容。

技术领域

[0002]本申请涉及电源电路，尤其涉及多相电源转换器。

背景技术

[0003]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，每个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。每个线圈12的一个极连接到切换节点10，另一个极连接到输出节点14。图1A中的线圈12彼此是不磁耦合的，也就是说它们不同用一个共同的铁芯。

[0004]图1B示出了一个两相降压转换器，其中线圈12彼此耦合，这意味着线圈12是相反连接的，并且绕着一个共同的铁芯。

[0005]在诸如多相降压转换器的多相电压调节器中电流对消是公知的，可以减少输出电流的纹波。

[0006]多相降压转换器中的电流对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，采用耦合线圈(图1B)可以有效的降低流过线圈的电流峰-峰值。因此，当采用耦合线圈时，在不损失动态性能条件下，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纹波电流。因此，在不牺牲转换器效率的条件下可以期望更快的瞬时反应特性。

[0007]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现出不一样的磁特性。磁特性上的变化可能带来次谐波输出波动。

[0008]期望降低多相转换器中的次谐波输出波动。

发明内容

[0009]本发明的一个目的是提供一个多相转换器，其可以减少输出电流中生成的次谐波波动。

[0010]根据本发明的电源转换器包括多个并联连接的转换器，其中每个转换器在其切换节点串联连接相应的线圈，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，包括至少一对并联连接的转换器，该对转换器与一对耦合线圈相连接；或多对并联连接的转换器，每对转换器与一对耦合线圈相连接。

[0011]根据本发明的设置的优点是，因为一对耦合线圈是物理对称的并且可以构造成具有一样的磁特性，因此降低了由不对称引起的输出电流中的次谐波波动。

[0012]在一个电压调节器中，相的数量取决于效率、成本等等的优化方案的权衡。为了提高额定电流，优选的是增加更多的相。然而，相的数量不总是偶数。根据本发明的一个方面，所提供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，而其它的转换器设置成具有如上面所解释的对称的磁特性。

[0013]对于奇数相的转换器，合适的相移可以消除潜在的输出纹波电流。根据本发明的一个方面，可以通过相移的设计降低由于不耦合线圈存在而引起的波动。

[0014]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。

附图说明

[0015]图1A示出了一个根据现有技术的多相转换器。

[0016]图1B示出了一个根据现有技术的多相转换器。

[0017]图1C图示了图1A中的转换器和图1B中的转换器的纹波电流的比较。

[0018]图2示出了一个根据本发明的多相降压转换器。

[0019]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。

[0020]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耦合线圈中的电流差值(ΔI)的曲线图。

[0021]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器各自的计算得到的波形。

[0022]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器各自的模拟得到的波形。

[0023]图9示出了根据本发明的转换器试验得到的波形。

具体实施方式

[0024]参见图2，根据本发明的优选实施方式的多相降压转换器包括多个并联连接的转换器20。优选的是，每个转换器20优选包括一个连接到电源输入节点Vin和切换节点10之间的控制开关S₁到S_2N+1，以及一个连接到各个切换节点10和地之间的分路开关SH₁到SH_2N+1。根据本发明的转换器进一步包括多个线圈L₁到L_2N+1，每个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。优选的是，一个输出电容15的一个极连接到输出节点14，另一个极接地。

[0025]优选的是，上述控制开关是功率MOSFET，但是其它不背离本发明的范围和精神的开关也可以被采用，如IGBT。

[0026]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，并且每个线圈的一个极连接到各自的切换节点，另一个极连接到输出节点。例如，L₁和L₂耦合并且绕在一个共同的铁芯上，它们连接到各自的与控制开关S₁和S₂相连的切换节点上。注意到，这里所指的两个线圈耦合意味着所述线圈相反连接，也就是反并联连接。

[0027]此外，根据本发明的另一个方面，线圈L_2N+1没有与其它的线圈耦合。因此，N个耦合的线圈(也就是具有耦合线圈的两相转换器)与一个单独的未耦合的线圈组合起来得到一种混合转换器。

[0028]当N个具有耦合线圈的两相转换器与至少一相未耦合的线圈组合时，可以从磁耦合中得到好处。实际上，当L_2N+1→∞，转换器相当于一个2N相转换器。

[0029]现参见图3，在每个转换周期中，每个线圈L₁到L_2N+1通过导通与其相连接的控制开关S₁到S_2N+1而相继启动。例如，通过导通S₁启动L₁，等等。

[0030]根据本发明的一个方面，不同于现有技术的是，耦合线圈相距(apart)180度不启动，并且所有的线圈相距360度/N不启动，其中N是线圈的个数。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引起的输出纹波电流的潜在增长。

[0031]i)耦合的两线圈的相移由公式1控制。

[0032] $\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K})=\frac{360\·N}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}---\left(1\right)$

[0033]该相移如图3中的A处所示。

[0034]其中L_K是该耦合线圈的漏电感，L_2K-1和L_2K(K＝1，2……N)，是耦合线圈；也就是相反连接的线圈，S_2K-1和S_2K分别表示与耦合线圈相连接的控制开关。例如，在一个包括一个与耦合线圈对(N＝1)相连接的两相转换器的多相转换器中，S₁和S₂将分别与耦合线圈L₁和L₂相连接，而S₃将和未耦合的线圈L₃相连接。注意到在这个例子中该转换器具有三相。

[0035]ii)除未耦合的线圈的相之外的，相邻的两相转换器的相移由公式2表示。

[0036] $\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K+1})=\frac{360}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}---\left(2\right)$

[0037]该相移如图3中的B处所示。

[0038]在这种设置中，转换器的等效电感由公式3得到。

[0039] $L_{\mathrm{Eq}}=\frac{1}{\frac{2\·N}{L_K}+\frac{1}{L_{2N+1}}}---\left(3\right)$

[0040]耦合线圈每相的纹波电流峰-峰值由公式4给出。

[0041] $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{PP}\_\mathrm{phase}}=\frac{K-(2K-1)D}{(2K-1)L_K{F}_S}\·\mathrm{Vout}---\left(4\right)$

[0042]其中Vout是输出电压，D是占空比，Fs是转换频率，以及K是该耦合线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-峰电流值，未耦合的线圈L_2N+1的优选的电感在公式5示出。

[0043] $L_{2N+1}=\frac{(2K-1)(1-D)}{K-(2K-1)D}\·L_K---\left(5\right)$

[0044]转换器的输出纹波电流由公式6得到。

[0045] $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{PP}\_\mathrm{converter}}=\frac{1-2\mathrm{ND}}{L_K{F}_S}\·\mathrm{Vout}-\frac{\mathrm{Vout}}{L_{2N+1}{F}_S}---\left(6\right)$

设计实例

[0046]设计说明：

[0047]Vin/Vout_no_load＝12V/1.335V；

[0048]负载线Ro＝1.25mohm；

[0049]最大输出电流Imax＝130A；

[0050]切换频率Fs＝660KHz

[0051]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，耦合线圈的漏电感选择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较好的消除纹波电流。然而，如果在两个耦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得磁饱和。从图4中，选择磁化电感对漏电感的比率为K＝3将可以很好的利用耦合，并在耦合和抗铁芯饱和强度之间提供较好的折中。对于五相转换器，基于公式5，未耦合的线圈选择120nH的商业现有(COTS)的线圈，以具有与所有的相接近的纹波电流峰-峰值。

[0052]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波形。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。这些波形表明每一相中的纹波电流已经明显降低了。

实验结果

[0053]一个四相转换器被设计成具有两个两相转换器，该两相转换器具有耦合线圈。图9中示出了该转换器的电流波形。该测量出的波形证明，如所期望的，相纹波电流已经明显地降低了。

[0054]根据本发明的转换器可以：

[0055]降低每相的RMS电流以提高转换器效率；

[0056]降低转换器的等效电感，以最小化具有紧迫短暂要求的应用场合所需要的输出电容；

[0057]消除谐波输出纹波电流；以及

[0058]4.消除对具有两相耦合线圈的多相转换器的限制。

[0059]虽然本发明已经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应用对所属领域的技术人员也将是很明显的。因此，优选的是本发明不受这里公开的细节的限制，而是仅受附加的权利要求的限制。

Claims (20)

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所述的多相转换器，其中所述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个连接在电源输入和所述切换节点之间的控制开关，以及一个连接在所述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，其中所述控制开关和所述分路开关是功率MOSFET。

5.如权利要求3所述的多相转换器，其中所述控制开关和所述分路开关是功率IGBT。

6.如权利要求1所述的多相转换器，其中所述线圈是至少一对并且仅仅是成对的通过各自共同的铁芯相耦合。

7.如权利要求6所述的多相转换器，其中N至少是4。

8.如权利要求1所述的多相转换器，其中所述线圈被顺序地启动。

9.如权利要求1所述的多相转换器，其中N是耦合线圈的对数，并且所述的耦合线圈通过下面的关系控制的移相角启动：

$\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K})=\frac{360\·N}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}$

其中φ是相角，L_K是耦合线圈的漏电感。

10.如权利要求1所述的多相转换器，其中N是耦合线圈的个数，两对相邻的耦合线圈通过下面的关系控制的移相角启动：

$\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K+1})=\frac{360}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}$

其中φ是相角，L_K是耦合线圈的漏电感。

11.一种多相转换器，包括：

多个线圈；

多个并联连接的开关转换器，并且每个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通过各自共同的铁芯相耦合，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。

12.如权利要求11所述的多相转换器，其中有2N+1个线圈，并且N是偶整数，并且所述的线圈中仅仅有一个线圈是未耦合的。

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，其中每个转换器包括一个连接在电源输入和所述切换节点之间的控制开关，以及一个连接在所述的切换节点和地之间的分路开关。

15.如权利要求14所述的多相转换器，其中所述的控制开关和所述的分路开关是功率MOSFET。

16.如权利要求14所述的多相转换器，其中所述控制开关和所述分路开关是功率IGBT。

17.如权利要求11所述的多相转换器，其中N至少是4。

18.如权利要求11所述的多相转换器，其中所述线圈被顺序的启动。

19.如权利要求11所述的多相转换器，其中N是耦合线圈的对数，并且所述的耦合线圈通过下面的关系控制的移相角启动：

$\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K})=\frac{360\·N}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}$

其中φ是相角，L_K是耦合线圈的漏电感。

20.如权利要求11所述的多相转换器，其中N是耦合线圈的个数，两对相邻的耦合线圈通过下面的关系控制的移相角启动：

$\mathrm{\φ}(S_{2K-1},S_{2K+1})=\frac{360}{2\·N+\frac{L_K}{L_{2N+1}}}$

其中所述的φ是相角，L_K是耦合线圈的漏电感。

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