CN111418137A - 电压转换系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种电压转换系统(100)。所述电压转换系统包括用于将输入电压(Vin)转换为中间电压(Vm)的第一功率转换器、用于将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压(Vout)的第二功率转换器(120)，以及耦合到所述第一功率转换器(110)和所述第二功率转换器(120)的控制电路(130)。所述控制电路(130)用于在检测到所述输入电压(Vin)的电压电平在第一范围内之后即刻执行所述第二功率转换器(120)的闭环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压(Vout)。

Description

电压转换系统及其使用方法
本发明要求2017年11月30日递交的发明名称为“电压转换系统及其使用方法”的第15/827,508号美国临时申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
背景技术
本文中提供的背景描述是出于大体上呈现本公开的上下文的目的。在此背景技术部分中描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在递交时可能原本不具有作为现有技术的资格的描述的各方面既不明确地也不隐含地被认作是针对本公开的现有技术。
在许多应用中，电压转换系统包括两级或更多级功率转换器以将具有宽电压范围内的电压电平的输入电压转换为处于目标电压电平的调节后的输出电压。电压转换系统的总体功率转换效率和输出电压的准确度可基于功率转换器的配置和控制功率转换器的方式来加以确定。
发明内容
根据本公开的方面，提供一种电压转换系统。所述电压转换系统可包括用于将输入电压转换为中间电压的第一功率转换器、用于将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压的第二功率转换器，和耦合到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器的控制电路。所述控制电路可用于在检测到所述输入电压的电压电平在第一范围内之后即刻执行所述第二功率转换器的闭环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。在一些实施例中，在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，所述控制电路可即刻执行所述第二功率转换器的开环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
视情况，所述控制电路还可用于在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第一范围内之后即刻执行所述第一功率转换器的开环控制，并且在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第二范围内之后即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述控制电路可用于使用所述输出电压作为反馈或使用所述中间电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，用于输出处于所述目标电压电平的所述输出电压的所述控制电路还可用于在检测到所述输入电压的所述电压电平处于不同于所述第一范围和所述第二范围的第三范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制，以及在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第三范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的所述闭环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第二功率转换器为隔离直流(directcurrent，DC)转DC转换器，所述转换器包括反相器、整流器和在所述反相器与所述整流器之间的变压器。在一些实施例中，在先前方面中的任一个中，所述第二功率转换器的所述反相器可包括：第一半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第一功率节点；以及第二半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第二功率节点。所述第二功率转换器的所述变压器可包括电耦合于所述第一半桥支腿的输出节点与所述第二半桥支腿的输出节点之间的原边(primary side)。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第二功率转换器的所述反相器可包括：第一半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第一功率节点；以及第二半桥支腿，具有用于接收所述输入电压的第二功率节点。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第一功率转换器为降压-升压转换器。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第一功率转换器在其闭环控制下用于在第一动态范围内接收所述输入电压，并且所述第二功率转换器在其所述闭环控制下用于在第二动态范围内接收所述中间电压。所述第二动态范围大于所述第一动态范围。
根据本公开的另一方面，可提供一种方法，包括：驱动电压转换系统的第一功率转换器以将输入电压转换为中间电压；以及驱动所述电压转换系统的第二功率转换器以基于所述输入电压的电压电平将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压。所述驱动所述第二功率转换器可包括在检测到所述输入电压的所述电压电平在第一范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的闭环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。在一些实施例中，在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的开环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
视情况，所述驱动所述第一功率转换器包括在检测到所述输入电压的所述电压电平在所述第一范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的开环控制；以及在检测到所述输入电压的所述电压电平在所述第二范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述执行所述第一功率转换器的所述闭环控制可包括使用所述输出电压作为反馈或使用所述中间电压作为反馈。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述驱动所述第一功率转换器包括在检测到所述输入电压的所述电压电平在不同于所述第一范围和所述第二范围的第三范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制，并且所述驱动所述第二功率转换器包括在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第三范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的所述闭环控制。
根据本公开的另一方面，提供一种电压转换系统。所述电压转换系统包括：第一功率转换器，用于将输入电压转换为中间电压；第一控制器，用于驱动所述第一功率转换器；第二功率转换器，用于将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压；以及第二控制器，用于驱动所述第二功率转换器。所述电压转换系统还包括用于检测所述输入电压的电压电平的电压检测器和模式控制器。所述模式控制器可用于在检测到所述输入电压的所述电压电平处于第一范围内之后，即刻发指令给所述第一控制器以执行所述第一功率转换器的开环控制并且发指令给所述第二控制器以执行所述第二功率转换器的闭环控制。在一些实施例中，在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，即刻发指令给所述第一控制器以执行所述第一功率转换器的闭环控制并且发指令给所述第二控制器以执行所述第二功率转换器的开环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第一控制器可用于使用所述输出电压作为反馈或使用所述中间电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第二功率转换器为隔离直流(directcurrent，DC)转DC转换器。
视情况，在先前方面中的任一个中，所述第一功率转换器为降压-升压转换器。
附图说明
作为示例提出的本公开的各种实施例将参考下图详细地描述，其中相同数字指代相同元件，且其中：
图1示出根据本公开的实施例的示范性电压转换系统的功能框图；
图2示出根据本公开的实施例可用作图1的电压转换系统中的第一功率转换器的示范性功率转换器的示意图；
图3A示出根据本公开的实施例的示范性电压转换系统的图；
图3B示出根据本公开的实施例的另一示范性电压转换系统的图，其中其第二功率转换器用于从第一功率转换器接收输入电压和中间电压两者；
图4示出根据本公开的实施例的另一示范性电压转换系统的功能框图；
图5示出根据本公开的实施例通过使用电压转换系统接收输入电压并且输出处于目标电压电平的输出电压的示范性过程的流程图；
图6示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第二功率转换器的示范性过程的流程图；
图7示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第一功率转换器和第二功率转换器的示范性过程的流程图；以及
图8示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第一功率转换器和第二功率转换器的另一示范性过程的流程图。
具体实施方式
根据本公开的实施例，一种电压转换系统包括将输入电压转换为中间电压的第一功率转换器和将所述中间电压转换为输出电压的第二功率转换器。所述电压转换系统还可包括控制电路，所述控制电路可在输入电压的电压电平在第一范围内的情况下执行第二功率转换器的闭环控制，并且在输入电压的电压电平在第二范围内的情况下执行第二功率转换器的开环控制。而且，在一些示例中，所述控制电路还可在输入电压的电压电平在第一范围内的情况下执行第一功率转换器的开环控制，并且在输入电压的电压电平在第二范围内的情况下执行第一功率转换器的闭环控制。因此，在一些应用中，可通过至少基于用于实现输出电压的给定目标电压电平的输入电压的电压电平平衡输出电压的精度与电压转换系统的总体功率转换效率来驱动第一功率转换器和第二功率转换器。
在一些示例中，电压转换系统可为嵌入于功率转换器或电源中的一组硬件组件。在一些示例中，电压转换系统的多个级可安置于同一盒、封装、底盘中或同一基体、封装框架或印刷电路板上。
图1示出根据本公开的实施例的示范性电压转换系统100的功能框图，该电压转换系统可接收输入电压Vin并且输出处于目标电压电平的输出电压Vout。如图所示，电压转换系统100包括第一功率转换器110、第二功率转换器120，以及耦合到第一功率转换器110和第二功率转换器120的控制电路130。第一功率转换器110在相对于参考节点N103的功率节点N102处接收输入电压Vin。第一功率转换器110还在相对于参考节点N105的功率节点N104处输出中间电压Vm。此外，第二功率转换器120在相对于参考节点N105的功率节点N104处接收中间电压Vm。第二功率转换器120还在相对于参考节点N107的功率节点N106处输出输出电压Vout。在一些示例中，第二功率转换器120还可接收输入电压Vin，并且通过转换输入电压Vin和中间电压Vm两者来生成输出电压Vout。
控制电路130耦合到第一功率转换器110和第二功率转换器120，并且用于控制第一功率转换器110和第二功率转换器120的操作。在一些示例中，控制电路130可驱动第一功率转换器110以将输入电压Vin转换为中间电压Vm，并且可驱动第二功率转换器120以将中间电压Vm和/或输入电压Vin转换为输出电压Vout。控制电路130可执行第一功率转换器110的开环控制或闭环控制，并且可执行第二功率转换器120的开环控制或闭环控制。
在一些示例中，第一功率转换器110在其闭环控制下可用于在第一动态范围内接收输入电压Vin；并且第二功率转换器120在其闭环控制下可用于在第二动态范围内接收中间电压Vm，其中第二动态范围大于第一动态范围。
控制电路130可包括第一控制器132、第二控制器134、模式控制器136、第一电压检测器137和第二电压检测器138。第一控制器132可在一些示例中通过执行第一功率转换器110的开环控制或闭环控制来驱动第一功率转换器110。而且，第二控制器134可在一些示例中通过执行第二功率转换器120的开环控制或闭环控制来驱动第二功率转换器120。模式控制器136可关于是执行开环控制还是闭环控制发指令给第一控制器132和/或第二控制器134。
如示范性实施例中所示，第一电压检测器137与节点N102和N103耦合，并且可确定输入电压Vin的电压电平，所述电压电平可用来确定执行第一功率转换器110的闭环控制还是开环控制，或用来确定执行第二功率转换器120的闭环控制还是开环控制。第二电压检测器138与节点N106和N107耦合，并且可确定输出电压Vout的电压电平，所述电压电平可用于执行第一功率转换器110的闭环控制或用于执行第二功率转换器120的闭环控制。
模式控制器136可从第一电压检测器137接收关于输入电压Vin的电压电平的信息。在一些示例中，模式控制器136可至少基于输入电压Vin的电压电平和/或输出电压Vout的目标电压电平来发指令给第一控制器132和/或第二控制器134。输出电压Vout的目标电压电平可存储或硬接线于控制电路130中，或可由模式控制器136从控制电路130之外的源接收(例如，接收图1中的“目标Vout”)。
模式控制器136可基于输入电压Vin的电压电平来确定是否发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的开环或闭环控制。举例来说，给定输出电压Vout的目标电压电平，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在第一范围内的情况下发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制，并且在输入电压Vin的电压电平在不同于第一范围的第二范围内的情况下执行第二功率转换器120的开环控制。
模式控制器136还可基于输入电压Vin的电压电平来确定是否发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的开环或闭环控制。举例来说，给定输出电压Vout的目标电压电平，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在第一范围内的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的开环控制，并且在输入电压Vin的电压电平在第二范围内的情况下执行第一功率转换器110的闭环控制。
在又一示例中，给定输出电压Vout的目标电压电平，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在不同于第一范围和第二范围的第三范围内的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的闭环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制。
举例来说，在电压转换系统100设计成接收范围介于36伏特(V)至60V的输入电压Vin并且输出目标电压电平为12V的输出电压Vout时，第一功率转换器110可设计成接收范围介于36V至60V的输入电压Vin并且在闭环控制下将输入电压Vin转换为48V的中间电压Vm。而且，第二功率转换器120可设计成接收范围介于43V至51V的中间电压Vm，并且在闭环控制下将中间电压Vm转换为12V的输出电压Vout。
在一些示例中，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在43V至51V的范围(即，第一范围)内的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的开环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制。而且，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平小于43V或大于51V(即，第二范围)的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的闭环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的开环控制。
在其它示例中，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在43V至51V的范围(即，第一范围)内的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的开环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制。模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平小于38V或大于54V(即，第二范围)的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的闭环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的开环控制。而且，模式控制器136可在输入电压Vin的电压电平在38V与43V之间的范围内或在51V与54V之间的范围(即，第三范围)内的情况下发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的闭环控制并且发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制。
另外，第三范围可包括分别大于或小于第一范围的两个子集，并且第二范围包括分别大于或小于第三范围的两个子集。在一些示例中，第二范围包括分别大于或小于第一范围的两个子集。
当然，以上在本公开中描述的第一范围、第二范围和第三范围用作非限制性示例。可基于第一功率转换器110和/或第二功率转换器120的电特性来设定第一范围、第二范围和/或第三范围，以便使总体功率转换效率最大化，同时确保可接受的输出电压偏差。此外，不同目标电压电平可对应于第一范围、第二范围和/或第三范围的不同集合。第一范围、第二范围和/或第三范围可通过外部源提供，或者硬接线或存储在控制电路130中。
第一功率转换器110可为任何类型的直流(direct current，DC)转DC转换器。在一些示例中，第一功率转换器110可为降压-升压转换器、升压转换器、降压转换器、反激式转换器、隔离DC转DC转换器、非隔离DC转DC转换器等。
第二功率转换器120可为任何类型的DC转DC转换器。在一些示例中，第二功率转换器120可为非隔离DC转DC转换器、隔离DC转DC转换器、全桥式转换器、半桥式转换器、双主用桥式转换器(dual-active-bridge converter)等。在至少一个示例中，第二功率转换器120可包括谐振电路，该谐振电路还包括变压器以及由电感设备和电容设备中的一个或多个形成的谐振网络。
在一些示例中，第一电压检测器137和第二电压检测器138可通过硬件组件加以实施。第一控制器132、第二控制器134和模式控制器136可实施为集成控制器或者两个或更多个分离的控制器。而且，第一控制器132、第二控制器134和模式控制器136可通过硬件组件、执行程序指令的处理器或其组合加以实施。
在操作中，模式控制器136可配置第一控制器132和第二控制器134以便输出处于目标电压电平的输出电压Vout，所述输出电压从外部源接收或者存储或硬接线于控制电路130中。第一电压检测器137检测输入电压Vin的电压电平，并且将所检测的电压电平转发至模式控制器136。模式控制器136可确定如何发指令给第一控制器132和/或第二控制器134以便驱动第一功率转换器110和第二功率转换器120。在一些示例中，如果输入电压Vin的电压电平在第一范围内，则模式控制器136与第一控制器132和第二控制器134一起执行第一功率转换器110的开环控制和第二功率转换器120的闭环控制。在一些示例中，如果输入电压Vin的电压电平在第二范围内，则模式控制器136与第一控制器132和第二控制器134一起执行第一功率转换器110的闭环控制和第二功率转换器120的开环控制。在又一些其它示例中，如果输入电压Vin的电压电平在第三范围内，则模式控制器136与第一控制器132和第二控制器134一起执行第一功率转换器110的闭环控制和第二功率转换器120的闭环控制。
在操作中，基于输入电压Vin的所检测电压电平，第一功率转换器110和第二功率转换器120分别如上文所描述加以控制。具体地说，第一功率转换器110可将输入电压Vin转换为中间电压Vm，而第二功率转换器110可将中间电压Vm和/或输入电压Vin转换为处于目标电压电平的输出电压Vout。而且，根据如图1中所描绘的示例，第一控制器132可使用输出电压Vout作为反馈来执行第一功率转换器110的闭环控制。而且，第二控制器134可使用输出电压Vout作为反馈来执行第二功率转换器120的闭环控制。
图2示出根据本公开的实施例可用作图1的电压转换系统100中的第一功率转换器110的示范性功率转换器210的示意图。功率转换器210为降压-升压转换器，其包括第一功率节点N202、参考节点N203，和第二功率节点N204。第一功率节点N202可对应于功率节点N102，并且第二功率节点N204可对应于图1中的功率节点N104。而且，参考节点N203可耦合到参考接地，并且可对应于图1中的参考节点N103和/或参考节点N105。
功率转换器210包括开关222、224、226和228以及电感设备230。如图所示，开关222耦合于节点N202与节点N232之间；开关224耦合于节点N203与节点N232之间。开关226耦合于节点N204与节点N234之间；开关228耦合于节点N203与节点N234之间。而且，电感设备230耦合于节点N232与节点N234之间。在一些示例中，开关222至228为晶体管，例如N型晶体管、P型晶体管、场效应晶体管、双极结晶体管、其它类型的晶体管，或其组合。在一些示例中，开关224和/或开关226为二极管等。
在操作中，在功率转换器210在开环控制下操作时，开关222和226可接通，并且开关224和228可断开，使得在节点N202处接收的电压将经由电感设备230传递到节点N204。在功率转换器210在闭环控制下操作时，开关222至228可选择性地接通或断开，使得在第一状态下，能量从节点N202处的电压传递至电感设备230，并且在第二状态下，能量从电感设备230传递至节点N204。通过参考对应于节点N204处的电压的反馈电压以及反馈电压的参考电平，可控制开关222至228的开/关状态的频率、相位和/或工作循环，以保持节点N204处的输出电压相对于目标电平处于所接受偏差内。
当然，在一些示例中，功率转换器210还可用作图1的电压转换系统100中的第二功率转换器120。
图3A示出示范性电压转换系统300A的图。电压转换系统300A包括电压源301、第一功率转换器310和第二功率转换器320。用于控制第一功率转换器310和第二功率转换器320的控制电路未在图3A中示出。
电压转换系统300A可包括功率节点N302、N304和N306以及参考节点N303和N307。功率节点N302、N304和N306可对应于图1中的功率节点N102、N104和N106。而且，参考节点N303可对应于参考节点N103和/或N105，并且参考节点N307可对应于参考节点N107。电压源301可在参考参考节点N303的功率节点N302处提供输入电压Vin。第一功率转换器310可将输入电压Vin转换为节点N304处的中间电压Vm。第二功率转换器320可将中间电压Vm转换为参考参考节点N307的节点N306处的输出电压Vout。输出电压Vout可用来驱动负载系统330，该负载系统由节点N306与N307之间的负载电阻性系统332和负载电容性系统334表示。
如图所示，第二功率转换器320可包括第一半桥支腿322、第二半桥支腿324、全桥326和谐振电路328。第一半桥支腿322具有输出节点N312；第二半桥支腿324具有输出节点N314；并且全桥326具有输出节点N316和N318。第一半桥支腿322和第二半桥支腿324构成全桥式反相器。全桥326可充当整流器。谐振电路328包括变压器350和谐振网络360。变压器350具有电耦合于输出节点N312与N314之间的原边绕组352以及电耦合于输出节点N316与N318之间的副边(secondary side)绕组354。谐振网络360可包括电容设备362和368以及电感设备364和366。电容设备362和电感设备364串联耦合于节点N312与节点N315之间；并且电容设备368和电感设备366串联耦合于节点N315与节点N314之间。在一些示例中，电容设备368不需要，并且可用短路路径替换。此外，在省略电容设备368时，在一些示例中，电感设备366可作为磁化电感与变压器绕组352和/或354集成。
在一些示例中，谐振网络360可安置于变压器350的副边而非在变压器350的原边处，如当前在图3A中所示。在此类示例中，谐振网络360可耦合在节点N316和N318与副边绕组354之间。
第一半桥支腿322包括耦合于节点N304与节点N312之间的晶体管342和耦合于节点N312与节点N303之间的晶体管344。第二半桥支腿324包括耦合于节点N304与节点N314之间的晶体管346和耦合于节点N314与节点N303之间的晶体管348。全桥326包括耦合于节点N306与节点N316之间的晶体管372、耦合于节点N316与节点N307之间的晶体管374、耦合于节点N306与节点N318之间的晶体管376，和耦合于节点N318与节点N307之间的晶体管378。在一些示例中，晶体管342至348和372至378为具有相应本征体二极管的N型晶体管。在一些示例中，晶体管372/374/376/378可用二极管等替换。
在操作中，在功率转换器320在闭环控制下操作时，晶体管342至348可选择性地接通或断开，使得第一半桥322、第二半桥324和谐振网络可将中间电压Vm转换为节点N315和N314处的原边交流(alternating current，AC)电压。变压器350可将原边AC电压转换为节点N316和N318处的副边AC电压。而且，晶体管372至378可选择性地接通或断开，使得全桥326可将节点N316和N318处的副边AC电压转换为输出电压Vout。通过参考对应于节点N304处的电压的反馈电压以及反馈电压的参考电平，可控制晶体管342至348和372至378的开/关状态的频率、相位和/或工作循环，以保持节点N306处的输出电压Vout相对于目标电平处于所接受偏差内。此外，在功率转换器320在开环控制下操作时，晶体管342至348和372至378可以固定频率、相位和/或工作循环接通或断开。
当然，在一些示例中，功率转换器320还可用作图1的电压转换系统100中的第一功率转换器110。
图3B示出根据本公开的实施例的另一示范性电压转换系统300B的图，其中其第二功率转换器320用于从第一功率转换器310接收输入电压Vin和中间电压Vm两者。图3B中描绘的与图3A中的组件相同或类似的组件被给出相同附图标记，并且省略其详细描述。
与电压转换系统300A相比，电压转换系统300B的第二功率转换器320接收输入电压Vin和中间电压Vm两者。举例来说，第一半桥支腿322耦合于节点N304与节点N303之间，并且因此用于在节点N304处接收中间电压Vm；并且第二半桥支腿324耦合于节点N302与节点N303之间，并且因此用于在节点N302处接收输入电压Vin。
在操作中，谐振电路328的原边上的电压转换系统300B经由第一半桥支腿322接收中间电压Vm，并且经由第二半桥支腿324接收输入电压Vin。由此，总输入能量(例如，由输入电压Vin提供)的一部分传输至谐振电路328的原边而不通过第一功率转换器310。因此，电压转换系统300B可实现比电压转换系统300A更好的功率转换效率。在一些示例中，电压转换系统300B的功率转换器320仍可以类似于如参考图3A所描述的电压转换系统300A的功率转换器320的操作的方式操作。
在一些示例中，电压转换系统300B的功率转换器320中的谐振网络360还可安置于变压器350的副边而非变压器350的原边处，如当前在图3B中所示。在此类示例中，谐振网络360可耦合在节点N316和N318与副边绕组354之间。
图4示出另一示范性电压转换系统400的功能框图，该电压转换系统可接收输入电压Vin并且输出处于目标电压电平的输出电压Vout。如图所示，电压转换系统400可包括第一功率转换器410、第二功率转换器420和控制电路430，其分别对应于图1中的第一功率转换器110、第二功率转换器120和控制电路130。
第一功率转换器410在相对于参考节点N403的功率节点N402处接收输入电压Vin。第一功率转换器410还在相对于参考节点N405的功率节点N404处输出中间电压Vm。此外，第二功率转换器420在相对于参考节点N405的功率节点N404处接收中间电压Vm。第二功率转换器420还在相对于参考节点N407的功率节点N406处输出输出电压Vout。在一些示例中，第二功率转换器420还可接收输入电压Vin，并且通过转换输入电压Vin和中间电压Vm两者来生成输出电压Vout。
控制电路430可包括第一控制器432、第二控制器434、模式控制器436、第一电压检测器437和第二电压检测器438。控制电路430还包括第三电压检测器442。第三电压检测器442与节点N404和N405耦合，并且可确定中间电压Vm的电压电平。与图1中的第一控制器132相比，图4中的第一控制器432可使用从第三电压检测器442检测到的中间电压Vm的电压电平作为反馈来执行第一功率转换器410的闭环控制。中间电压Vm的目标电压电平可通过模式控制器436加以确定或根据从外部源接收的预定值加以设定，或者硬接线或存储在控制电路430中。否则，在一些示例中，电压转换系统400可以类似于如参考图1所描述的电压转换系统100的操作的方式操作。
图5示出根据本公开的实施例通过使用电压转换系统接收输入电压并且输出处于目标电压电平的输出电压的示范性过程500的流程图。在一些示例中，过程500可由图1中的电压转换系统100或图4中的电压转换系统400与图2中的第一功率转换器210和/或图3A或图3B中的第二功率转换器320执行。应理解，可在图5中描绘的过程500之前、期间和/或之后执行额外操作。过程500在S501处开始，并且进行到S510。
在S510处，检测输入电压的电压电平。输入电压Vin的电压电平可用来确定如何驱动电压转换系统的第一功率转换器和/或第二功率转换器以输出处于目标电压电平的输出电压。举例来说，第一电压检测器137可以参考图1所描述的方式检测输入电压Vin的电压电平。
在S520处，驱动电压转换系统的第一功率转换器以将输入电压转换为中间电压。举例来说，如图1所示，第一控制器132可以参考图1所描述的方式驱动第一功率转换器110以将输入电压Vin转换为中间电压Vm。进一步参考图7和8描述相对于S520的示范性实施方案。
在一些示例中，在由模式控制器136发指令时，第一控制器132可执行第一功率转换器110的闭环控制或开环控制。第一功率转换器110的开环控制可增大第一功率转换器110的功率转换效率，并且增大中间电压Vm相对于其目标值的电压偏差。另一方面，第一功率转换器110的闭环控制可减小第一功率转换器110的功率转换效率以及中间电压Vm相对于目标值的电压偏差。在一些示例中，控制电路130或模式控制器136可在输出电压Vout的给定目标电压电平下基于输入电压Vin的所检测电压电平发指令给第一控制器132以执行第一功率转换器110的闭环控制或开环控制。
在S530处，驱动电压转换系统的第二功率转换器以基于输入电压的所检测电压电平将中间电压和/或输入电压转换为输出电压。举例来说，如图1所示，第二控制器134可驱动第二功率转换器120以按参考图1所描述的方式将中间电压Vm和/或输入电压Vin转换为输出电压Vout。进一步参考图6、7和8描述相对于S530的示范性实施方案。
在一些示例中，在由模式控制器136发指令时，第二控制器134可执行第二功率转换器120的闭环控制或开环控制。第二功率转换器120的开环控制可增大第二功率转换器120的功率转换效率，并且增大输出电压Vout相对于其目标电压电平的电压偏差。另一方面，第二功率转换器120的闭环控制可减小第二功率转换器120的功率转换效率以及输出电压Vout相对于其目标电压电平的电压偏差。在一些示例中，控制电路130或模式控制器136可在输出电压Vout的给定目标电压电平下基于输入电压Vin的所检测电压电平发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制或开环控制。
在一个示例中，模式控制器136可在输入电压Vin的所检测电压电平在第一范围内的情况下发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制，并且在输入电压Vin的所检测电压电平处于在第一范围之外的第二范围内的情况下执行第二功率转换器120的开环控制。在另一示例中，模式控制器136可在输入电压Vin的所检测电压电平在第三范围内的情况下发指令给第二控制器134以执行第二功率转换器120的闭环控制。在一些示例中，第三范围包括分别大于或小于第一范围的两个子集，并且第二范围包括分别大于或小于第三范围的两个子集。在一些示例中，第二范围包括分别大于或小于第一范围的两个子集。
在S530之后，过程进行到S599并且终止。
图6示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第二功率转换器的示范性过程630的流程图。应理解，可在图6中描绘的过程630之前、期间和/或之后执行额外操作。过程630对应于图5中的S530，并且在S520之后进行到S610。
在S610处，确定输入电压的所检测电压电平是否在第一范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则所述过程进行到S620。如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程进行到S630或S640。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第一范围内。在一些示例中，与输出电压Vout的目标电压电平相关联地设定第一范围。第一范围可从外部源提供，或者存储或硬接线在控制电路130或430中。
在S620处，如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则执行第二功率转换器的闭环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的闭环控制。
在S630处，进一步确定输入电压的所检测电压电平是否在不同于第一范围的第二范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内，则所述过程进行到S640。如果输入电压的所检测电压电平不在第二范围内，则所述过程进行到S620。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第二范围内。在一些示例中，还与输出电压Vout的目标电压电平相关联地设定第二范围。第二范围还可从外部源提供，或者存储或硬接线在控制电路130或430中。
在至少一些示例中，如果第二范围界定为在第一范围之外的任何电压电平，则可省略S630，并且如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程从S610进行到S640。
在S640处，如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内，则执行第二功率转换器的开环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的开环控制。
在S620或S640之后，所述过程进行到图5中的S599。
图7示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第一功率转换器和第二功率转换器的示范性过程700的流程图。应理解，可在图7中描绘的过程700之前、期间和/或之后执行额外操作。过程700包括对应于图5中的S520的S722至S728(统称为S720)和对应于图5中的S530的S734和S738(统称为S730)。在S510之后，过程700进行到S722。
在S722处，确定输入电压的所检测电压电平是否在第一范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则所述过程进行到S724。如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程进行到S726或S728。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第一范围内。在一些示例中，与输出电压Vout的目标电压电平相关联地设定第一范围。第一范围可从外部源提供，或者存储或硬接线在控制电路130或430中。
在S724处，如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则执行第一功率转换器的开环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、2和4所描述的方式发指令给第一控制器132或432以执行第一功率转换器110、210或410的开环控制。在S724之后，所述过程进行到S734。
在S734处，如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则执行第二功率转换器的闭环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的闭环控制。
另一方面，在S726处，进一步确定输入电压的所检测电压电平是否在不同于第一范围的第二范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内，则所述过程进行到S728。如果输入电压的所检测电压电平不在第二范围内，则所述过程进行到S724。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第二范围内。在一些示例中，还与输出电压Vout的目标电压电平相关联地设定第二范围。第二范围还可从外部源提供，或者存储或硬接线在控制电路130或430中。
在至少一些示例中，如果第二范围界定为在第一范围之外的任何电压电平，则可省略S726，并且如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程从S722进行到S728。
在S728处，如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内，则执行第一功率转换器的闭环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、2和4所描述的方式发指令给第一控制器132或432以执行第二功率转换器110、210或410的闭环控制。在S728之后，所述过程进行到S738。
在S738处，如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内，则执行第二功率转换器的开环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的开环控制。
在S734或S738之后，所述过程进行到图5中的S599。
图8示出根据本公开的实施例的驱动图5中的电压转换系统的第一功率转换器和第二功率转换器的另一示范性过程800的流程图。应理解，可在图8中描绘的过程800之前、期间和/或之后执行额外操作。过程800包括对应于图5中的S520的S822至S828(统称为S820)和对应于图5中的S530的S832至S838(统称为S830)。在S510之后，过程800进行到S822。
在S822处，以类似于图7中的S722的方式确定输入电压的所检测电压电平是否在第一范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则所述过程进行到S824。如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程进行到S826或S828。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可以如参考图1、4和7所描述的方式执行S822。
在S824处，如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则以类似于图7中的S724的方式执行第一功率转换器的开环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、2和4所描述的方式发指令给第一控制器132或432以执行第一功率转换器110、210或410的开环控制。在S824之后，所述过程进行到S834。
在S834处，如果输入电压的所检测电压电平在第一范围内，则以类似于图7中的S734的方式执行第二功率转换器的闭环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的闭环控制。
另一方面，在S826处，进一步确定输入电压的所检测电压电平是否在不同于第一范围的第二范围或第三范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第二范围或第三范围内，则所述过程进行到S828。如果输入电压的所检测电压电平不在第二范围或第三范围内，则所述过程进行到S824。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第二范围或第三范围内。在一些示例中，与输出电压Vout的目标电压电平相关联地设定第二范围和第三范围。第二范围和/或第三范围还可从外部源提供，或者存储或硬接线在控制电路130或430中。
在至少一些示例中，如果第二范围和第三范围一起界定为在第一范围之外的任何电压电平，则可省略S826，并且如果输入电压的所检测电压电平不在第一范围内，则所述过程从S822进行到S828。
在S828处，如果输入电压的所检测电压电平在第二范围或第三范围内，则执行第一功率转换器的闭环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、2和4所描述的方式发指令给第一控制器132或432以执行第二功率转换器110、210或410的闭环控制。在S828之后，所述过程进行到S832。
在S832处，进一步确定输入电压的所检测电压电平是否在第三范围内。如果输入电压的所检测电压电平在第三范围内，则所述过程进行到S834。如果输入电压的所检测电压电平不在第三范围内，这意味着所检测电压电平在第二范围内，则所述过程进行到S838。举例来说，控制电路130或430，确切地说模式控制器136或436，可确定输入电压Vin的所检测电压电平是否在第三范围内。在至少一些示例中，可以集成方式在S826处执行S832和S826，并且过程800基于来自S826的确定结果而仅指向S832处的合适分支。
在S838处，如果输入电压的所检测电压电平在第二范围内但不在第三范围内，则执行第二功率转换器的开环控制。举例来说，模式控制器136或436可以如参考图1、3A、3B和4所描述的方式发指令给第二控制器134或434以执行第二功率转换器120、320或420的开环控制。
在S834或S838之后，所述过程进行到图5中的S599。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“a”或者“an”不排除多个。单个处理器或其它单元可满足权利要求中描述的几项的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分发。
尽管已结合作为示例提出的本公开的特定实施例描述本公开的方面，但可进行对所述示例的替代、修改和变更。因此，本文中所阐述的实施例旨在是说明性的而非限制性的。可在不脱离本文阐述的权利要求的范围的情况下进行变化。
举例来说，在一个实施例中，公开一种电压转换系统，其包括：第一功率转换器构件，用于将输入电压转换为中间电压；第二功率转换器构件，用于将中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压；以及控制电路构件，耦合到第一功率转换器和第二功率转换器、用于执行第二功率转换器的闭环控制以输出处于目标电压电平的输出电压。

Claims (23)

1.一种电压转换系统，其特征在于，包括：
第一功率转换器，用于将输入电压转换为中间电压；
第二功率转换器，用于将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压；以及
控制电路，耦合到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器，用于：
在检测到所述输入电压的电压电平在第一范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的闭环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
2.根据权利要求1所述的电压转换系统，其特征在于，为输出处于所述目标电压电平的所述输出电压，所述控制电路还用于：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的开环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
3.根据权利要求1或2所述的电压转换系统，其特征在于，为输出处于所述目标电压电平的所述输出电压，所述控制电路还用于：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第一范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的开环控制；以及
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第二范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制。
4.根据权利要求3所述的电压转换系统，其特征在于，所述控制电路用于使用所述输出电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
5.根据权利要求3所述的电压转换系统，其特征在于，所述控制电路用于使用所述中间电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的电压转换系统，其特征在于，为输出处于所述目标电压电平的所述输出电压，所述控制电路还用于：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于不同于所述第一范围和所述第二范围的第三范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制；以及
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第三范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的所述闭环控制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电压转换系统，其特征在于
所述第二功率转换器为隔离直流(direct current，DC)转DC转换器，所述转换器包括反相器、整流器和在所述反相器与所述整流器之间的变压器。
8.根据权利要求7所述的电压转换系统，其特征在于
所述第二功率转换器的所述反相器包括：
第一半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第一功率节点；以及
第二半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第二功率节点，并且
所述第二功率转换器的所述变压器包括电耦合于所述第一半桥支腿的输出节点与所述第二半桥支腿的输出节点之间的原边。
9.根据权利要求7所述的电压转换系统，其特征在于
所述第二功率转换器的所述反相器包括：
第一半桥支腿，具有用于从所述第一功率转换器接收所述中间电压的第一功率节点；以及
第二半桥支腿，具有用于接收所述输入电压的第二功率节点，并且
所述第二功率转换器的所述变压器包括电耦合于所述第一半桥支腿的输出节点与所述第二半桥支腿的输出节点之间的原边。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电压转换系统，其特征在于，所述第一功率转换器为降压-升压转换器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电压转换系统，其特征在于
所述第一功率转换器在其闭环控制下用于在第一动态范围内接收所述输入电压，
所述第二功率转换器在其所述闭环控制下用于在第二动态范围内接收所述中间电压，并且
所述第二动态范围大于所述第一动态范围。
12.一种方法，其特征在于，包括：
驱动电压转换系统的第一功率转换器以将输入电压转换为中间电压；以及
驱动所述电压转换系统的第二功率转换器以基于所述输入电压的电压电平将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压，包括：
在检测到所述输入电压的所述电压电平在第一范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的闭环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述驱动所述第二功率转换器还包括：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的开环控制以输出处于所述目标电压电平的所述输出电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述驱动所述第一功率转换器包括：
在检测到所述输入电压的所述电压电平在所述第一范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的开环控制；以及
在检测到所述输入电压的所述电压电平在所述第二范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述执行所述第一功率转换器的所述闭环控制包括使用所述输出电压作为反馈。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述执行所述第一功率转换器的所述闭环控制包括使用所述中间电压作为反馈。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于
所述驱动所述第一功率转换器包括在检测到所述输入电压的所述电压电平在不同于所述第一范围和所述第二范围的第三范围内之后，即刻执行所述第一功率转换器的闭环控制，并且
所述驱动所述第二功率转换器包括在检测到所述输入电压的所述电压电平处于所述第三范围内之后，即刻执行所述第二功率转换器的所述闭环控制。
18.一种电压转换系统，其特征在于，包括：
第一功率转换器，用于将输入电压转换为中间电压；
第一控制器，用于驱动所述第一功率转换器；
第二功率转换器，用于将所述中间电压转换为处于目标电压电平的输出电压；
第二控制器，用于驱动所述第二功率转换器；
电压检测器，用于检测所述输入电压的电压电平；以及
模式控制器，用于：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于第一范围内之后，即刻发指令给所述第一控制器以执行所述第一功率转换器的开环控制并且发指令给所述第二控制器以执行所述第二功率转换器的闭环控制。
19.根据权利要求18所述的电压转换系统，其特征在于，所述模式控制器还用于：
在检测到所述输入电压的所述电压电平处于在所述第一范围之外的第二范围内之后，即刻发指令给所述第一控制器以执行所述第一功率转换器的闭环控制并且发指令给所述第二控制器以执行所述第二功率转换器的开环控制。
20.根据权利要求19所述的电压转换系统，其特征在于，所述第一控制器用于使用所述输出电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
21.根据权利要求19所述的电压转换系统，其特征在于，所述第一控制器用于使用所述中间电压作为反馈来执行所述第一功率转换器的所述闭环控制。
22.根据权利要求18所述的电压转换系统，其特征在于
所述第二功率转换器为隔离直流(direct current，DC)转DC转换器。
23.根据权利要求18所述的电压转换系统，其特征在于，所述第一功率转换器为降压-升压转换器。
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