CN113261189B - 混合功率转换器与方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法，包括：配置N个功率转换单元工作在M个工作相位，其中，N和M为预定整数，并且其中，M小于或等于N且M大于或等于2；和配置N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，其中，N个功率转换单元级联连接在电源与负载之间，并且其中，每个功率转换单元的最大占空比的范围为1/M至1/2。

Description

混合功率转换器与方法
技术领域
本公开涉及一种混合功率转换器与方法，在特定实施例中，涉及一种用于在高降压和/或高升压比应用中转换能量的混合功率转换器。
背景技术
随着技术的进一步发展，人工智能(artificial intelligence,AI)已经成为进一步提高计算技术能力的有效选择。基于AI的计算机器呈现出诸如感知、学习、推理和解决问题等人类智慧。
基于AI的计算机器可以被实现为图形处理单元(graphical processing unit,GPU)。图形处理单元允许通过并行计算提升性能。随着图形处理单元的计算能力增加，对电功率的需求日益增加。
为了有效地给低电压、高电流负载(例如，图形处理单元)供电，已经采用了直连芯片(direct-to-chip)电源架构。例如，直连芯片电源架构的输入为48伏配电总线。直连芯片电源架构的输出为低至0.7V的集成电路(integrated circuit，IC)电压。流经直连芯片电源架构的电流高达1000A。在直连芯片电源架构中，开关元件需要以大约2％的小占空比工作。另外，直连芯片电源架构的电感器必须承受高电流应力。
开关电容器功率转换器可以为高降压和/或高升压比功率应用实现高效率。典型的开关电容器功率转换器只能具有固定的电压转换比。由于具有该固定的电压转换比，开关电容器功率转换器无法在各种操作条件下调节输出电压。
在诸如高电流和高电压转换比的应用中，需要有一种能够在各种操作条件下实现高效率的功率转换器。
发明内容
本公开的优选实施例提供了一种用于在高降压和/或高升压比应用下改善功率转换系统性能的混合功率转换器，通过本公开的优选实施例，通常解决或避免了这些和其它问题，并且总体上实现了技术优点。
根据一实施例，一种方法包括：配置N个功率转换单元工作在M个工作相位，其中，N和M为预定整数，并且其中，M小于或等于N且M大于或等于2；和配置所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，其中，所述N个功率转换单元级联连接在电源与负载之间，并且其中，每个功率转换单元的最大占空比的范围为1/M至1/2。
所述方法还包括：配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；和配置所述N个功率转换单元工作在第二交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2。
所述方法还包括：在正常操作中，配置所述N个功率转换单元工作在所述第一交错控制模式下以最小化输出纹波；和在负载瞬态期间，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第二交错控制模式以改善负载瞬态响应。
在理想交错控制机制下执行所述第一交错控制模式。在级联交错控制机制下执行所述第二交错控制模式。
所述方法还包括：配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；和配置所述N个功率转换单元工作在第三交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2。
所述方法还包括：在正常操作中，配置所述N个功率转换单元工作在所述第一交错控制模式下以最小化输出纹波；和在负载瞬态期间，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第三交错控制模式以改善负载瞬态响应。
在理想交错控制机制下执行所述第一交错控制模式。在相移交错控制机制下执行所述第三交错控制模式。在相移交错控制机制下，所述N个功率转换单元的奇数个功率转换单元工作在第一工作相位，并且所述N个功率转换单元的偶数个功率转换单元工作在第二工作相位。
所述N个功率转换单元包括第一功率转换单元和第二功率转换单元。所述第一功率转换单元直接连接至所述负载。所述第二功率转换单元紧邻所述第一功率转换单元。
所述第一功率转换单元为包括第一开关、第二开关和第一电感器的开关-电感器-开关(SLS)单元。所述第一开关和所述第二开关串联连接在所述第一功率转换单元的输入端子与地之间。所述第一电感器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第一功率转换单元的输出端子之间。
所述第二功率转换单元为包括第三开关、电容器、第四开关和第二电感器的开关-电容器-电感器-开关(SCLS)单元。所述第三开关、所述电容器和所述第四开关串联连接在所述第二功率转换单元的输入端子与地之间。所述第二电感器连接在所述电容器和所述第四开关的公共节点与所述第二功率转换单元的输出端子之间。所述第二功率转换单元的输出端子连接至所述第一功率转换单元的输出端子，并且所述第一功率转换单元的输入端子连接至所述第三开关和所述电容器的公共节点。
根据另一实施例，一种方法包括：配置N个功率转换单元工作在M个工作相位，其中，N和M为预定整数，M在2和N之间；和配置所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，其中，所述N个功率转换单元级联连接在电源与负载之间。
所述方法还包括：配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；配置所述N个功率转换单元工作在第二交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2；和配置所述N个功率转换单元工作在第三交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2，并且其中，响应于负载瞬态，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第二交错控制模式或所述第三交错控制模式以改善负载瞬态响应。
所述方法还包括：响应于负载瞬态，对所述N个功率转换单元中的一个功率转换单元施加短路。所述方法还包括：动态调整应用于所述N个功率转换单元的工作相位数量。
根据又一实施例，一种系统包括：多个并联连接在电源与负载之间的功率模块。每个功率模块包括N个功率转换单元，并且其中，所述N个功率转换单元被配置为工作在M个工作相位，所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元被配置为工作在两个不同的工作相位。所述多个功率模块中的相邻两个功率模块被配置为使得所述相邻两个功率模块的栅极驱动信号之间设置相移。
所述N个功率转换单元包括连接在所述电源与所述负载之间的开关-电感器-开关(SLS)单元和N-1个开关-电容器-电感器-开关(SCLS)单元。
所述N个功率转换单元被配置为在正常操作中工作在理想交错控制模式下，并且在负载瞬态期间工作在级联交错控制模式下。所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元在所述级联交错控制模式下的最大占空比大于所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元在所述理想交错控制模式下的最大占空比。
本公开实施例的优点是一种用于在高降压和/或高升压比应用中提高功率转换系统的效率、可靠性和成本的混合功率转换器。
为了可以更好地理解以下本公开的详细描述，前述内容已相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点。以下将对本公开实施例的附加特征和优点进行描述，其形成本公开权利要求的主题。本领域技术人员应理解，可以轻而易举地将所公开的概念和特定实施例用作修改或设计其它结构或过程以便执行本公开相同目的的基础。本领域技术人员还应理解，这种等效构造并不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更全面的理解本公开及其优点，现结合附图参考以下描述，其中：
图1示出了根据本公开各实施例的混合功率转换系统的框图；
图2示出了根据本公开各实施例的图1中所示混合功率转换系统的示意图；
图3示出了根据本公开各实施例的另一混合功率转换系统的框图；
图4示出了根据本公开各实施例的图3中所示混合功率转换系统的示意图；
图5示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合功率转换系统的示意图；
图6示出了根据本公开各实施例的另一混合功率转换系统的示意图；
图7示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图；
图8示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图；
图9示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图；
图10示出了根据本公开各实施例的用于控制图1所示混合功率转换系统的方法的流程图；
图11示出了根据本公开各实施例的用于控制图1所示混合功率转换系统的另一种方法的流程图；
图12示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的框图；
图13示出了根据本公开各实施例的四单元混合功率转换系统的框图；
图14示出了根据本公开各实施例的图13中所示四单元混合功率转换系统的示意图；
图15示出了根据本公开各实施例的应用于图13所示四单元混合功率转换系统的第一控制方案；
图16示出了根据本公开各实施例的应用于图13所示四单元混合功率转换系统的第二控制方案；
图17示出了根据本公开各实施例的图16中所示四单元混合功率转换系统的第一实现的示意图；
图18示出了根据本公开各实施例的图16中所示四单元混合功率转换系统的第二实现的示意图；
图19示出了根据本公开各实施例的图16中所示四单元混合功率转换系统的第三实现的示意图；
图20示出了根据本公开各实施例的应用于图13中所示四单元混合功率转换系统的第三控制方案；
图21示出了根据本公开各实施例的图20中所示四单元混合功率转换系统的实现的示意图；
图22示出了根据本公开各实施例的十二单元混合功率转换系统的框图；
图23示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的框图；
图24示出了根据本公开各实施例的八单元混合功率转换系统的框图；
图25示出了根据本公开各实施例的图24中所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第一实现方式的时序图；
图26示出了根据本公开各实施例的图24中所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第二实现的时序图；
图27示出了根据本公开各实施例的图24中所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第三实现的时序图；
图28示出了根据本公开各实施例的混合升降压功率转换系统的框图；
图29示出了根据本公开各实施例的图28中所示混合升降压功率转换系统的示意图；
图30示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合升降压功率转换系统的示意图；
图31示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图；
图32示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图；
图33示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的框图；
图34示出了根据本公开各实施例的图33中所示混合升降压功率转换系统的示意图；
图35示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图；
图36示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合升降压功率转换系统的示意图；
图37示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图；
图38示出了根据本公开各实施例的又一混合升降压功率转换系统的框图；
图39示出了根据本公开各实施例的又一混合升降压功率转换系统的框图；
图40示出了根据本公开各实施例的两级功率转换系统的框图；和
图41示出了根据本公开各实施例的另一两级功率转换系统的框图。
除非另有说明，否则不同附图中的相应数字和符号通常指相应的部件。对附图进行绘制以清楚说明各实施例的相关方面，并且不一定按比例进行绘制。
具体实施方式
以下对当前优选实施例的形成和使用进行详细讨论。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可以在各种各样的特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅仅说明形成和使用本公开的特定方式，并不用于限制本公开的范围。
将在特定上下文中，即混合功率转换器中，描述本公开的优选实施例。然而，本公开也可以应用于各种功率转换系统。在下文中，将参考附图详细解释各实施例。
图1示出了根据本公开各实施例的混合功率转换系统的框图。混合功率转换系统100连接在电源150与负载160之间。混合功率转换系统100是将电压总线的能量转换为低压大电流负载的降压功率转换系统。
在一些实施例中，电源150被实现为48伏直流配电总线。可选地，电源150可以被实现为其它合适的直流电源，诸如太阳能板、能量存储单元、电池组、对公用事业线的能量进行转换的功率转换器、发电机、可再生电源、其任意组合等等。负载160可以为处理器，诸如中央处理单元(central processing unit,CPU)、图形处理单元(graphics processingunit,GPU)、专用集成电路(application-specific integrated circuit,ASIC)、其任意组合等。可选地，负载160可以为多个下游功率转换器。
如图1所示，混合功率转换系统100包括多个级联连接在电源150与负载160之间的功率转换单元。在一些实施例中，多个功率转换单元包括一个开关-电感器-开关(SLS)单元和多个开关-电容器-电感器-开关(SCLS)单元。如图1所示，混合功率转换系统100包括N个功率转换单元，其中，N为预定整数。第一功率转换单元110直接连接负载160。在一些实施例中，第一功率转换单元110为SLS单元。其它功率转换单元(例如，功率转换单元111、112和113)连接在第一功率转换单元110与电源150之间。在一些实施例中，功率转换单元111、112和113为SCLS单元。
在混合功率转换系统100中，SLS单元包括高侧开关、低侧开关和电感器。每个SCL单元均包括高侧开关、电容器、低侧开关和电感器。在一些实施例中，高侧开关的导通周期相等。混合功率转换系统100的占空比D被定义为高侧开关的导通周期除以混合功率转换系统100的开关周期。
在操作中，流过混合功率转换系统100的电流在图1所示的多个功率转换单元的电感器之间平均分配。换言之，流过每个功率转换单元的电感器的平均电流等于平均负载电流除以N。混合功率转换系统100的输出电压等于(D·VIN)/N。D为每个功率转换单元的占空比，VIN为电源150的输出电压。
在操作中，多个功率转换单元可以被配置为工作在多个工作相位。在一些实施例中，开关周期分为N个相等的周期。每个周期为一个工作相位。图1的N个功率转换单元被配置为工作在N个工作相位。每个功率转换单元被配置为工作在相应的相位。在可选实施例中，开关周期分为两个相等的周期。每个周期为一个工作相位。图1的N个功率转换单元被配置为工作在两个工作相位。更具体地，图1的功率转换单元被分为两组。例如，第一组可以是偶数组(例如，单元110和112)，第二组可以是奇数组(例如，单元111和113)。两个相邻的小区没有被分配到同一组中。第一组工作在第一工作相位。第二组工作在第二工作相位。此外，根据不同的应用和设计需求，将开关周期分为M个相等的周期。M的范围为2至N。图1的N个功率转换单元被配置为工作在M个工作相位。至少两个功率转换单元被配置为工作在相同工作相位。
图2示出了根据本公开各实施例的图1所示混合功率转换系统的示意图。如图2所示，多个功率转换单元110、111、112和113级联连接在输入电压VIN与输出电容器Co之间。在一些实施例中，输入电压VIN由图1所示电源150产生。采用输出电容器Co来为图1所示负载160提供稳定的电压。
如图2所示，第一功率转换单元110为SLS单元。在整个说明书中，第一功率转换单元110可以可选地称为SLS单元110。其它功率转换单元111、112和113为SCLS单元。在整个说明书中，其它功率转换单元可以可选地称为其相应的SCLS单元。例如，第二功率转换单元111可以可选地称为SCLS单元111。
如图2所示，SLS单元110包括高侧开关SH0、低侧开关SL0和电感器L0。高侧开关SH0和低侧开关SL0串联连接在SLS单元110的输入端子C1IN与地之间。电感器L0连接在SH0和SL0的公共节点与SLS单元110的输出端子C1O之间。
功率转换单元111、112和113具有相同的功率拓扑。为了简单起见，本文中仅讨论SCLS单元111的结构。SCLS单元111包括高侧开关SH1、电容器C1、低侧开关SL1和电感器L1。如图2所示，高侧开关SH1、电容器C1和低侧开关SL1串联连接在SCLS单元111的输入端子C2IN与地之间。高侧开关SH1和电容器C1的公共节点为SCLS单元111的第一输出端，其连接SLS单元110的输入端。电感器L1连接在C1和SL1的公共节点与SCLS单元111的输出端子C2O之间。
在操作中，混合功率转换系统100的开关能够实现零电压开关(zero voltageswitching,ZVS)。在每个开关周期中，流过每个单元电感器的电流从正值变为零，然后进一步变为负值以实现ZVS。ZVS操作有助于实现更高的效率和更低的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)。
如图2所示，SCLS单元113的输入端连接输入电压VIN。每个SCLS单元均有两个输出端。每个SCLS单元的第一输出端连接相邻功率转换单元的输入端。SCLS单元的第二输出端和SLS单元的输出端连接在一起，并且进一步连接混合功率转换系统100的输出电容器Co。
混合功率转换系统100包括N个功率转换单元。如图2所示，这N个功率转换单元具有(N-1)个电容器、N个电感器和(2·N)个开关。在一些实施例中，高侧开关SHN-1的电压应力等于VIN/N。其它高侧开关(例如，SH0、SH1和SH2)的电压应力等于(2·VIN)/N。低侧开关(例如，SL0、SL1、SL2和SLN-1)的电压应力等于VIN/N。
根据实施例，图2的开关(例如，开关SH0至SHN-1和SL0至SLN-1)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effect transistor,MOSFET)器件。可选地，开关元件可以是任何可控开关，例如绝缘栅双极晶体管(insulated gatebipolar transistor,IGBT)器件、集成门极换流晶闸管(integrated gate commutatedthyristor,IGCT)器件、门极可关断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)器件、硅控整流器(silicon controlled rectifier,SCR)器件、结型场效应晶体管(junction field-effect transistor,JFET)器件、MOS控制晶闸管(MOS controlled thyristor,MCT)器件等。
应当注意，尽管图2示出了将开关SH0至SHN-1和SL0至SLN-1实现为单个n型晶体管，但是本领域技术人员将认识到，可能存在许多变化、修改和替代方案。例如，根据不同的应用和设计需求，开关SH0至SHN-1和SL0至SLN-1中的至少一些可以被实现为p型晶体管。此外，图2所示的每个开关可以被实现为多个并联连接的开关。此外，电容器可并联连接一个开关以实现零电压开关(ZVS)/零电流开关(zero current switching,ZCS)。
图3示出了根据本公开各实施例的另一混合功率转换系统的框图。混合功率转换系统300类似于图1中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，混合功率转换系统300被配置为将低压总线的能量转换为高压小电流负载的升压功率转换系统。
如图3所示，SLC单元110连接电源150。多个SCLS单元111、112和113级联连接在SLC单元110与负载160之间。通过交换电源150和负载160，混合功率转换系统300用作升压功率转换器。
图4示出了根据本公开各实施例的图3所示混合功率转换系统的示意图。图4中所示的混合功率转换系统300类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，电源VIN连接SLC单元110并且负载连接SCLS单元113。混合功率转换系统300的输出电压等于(N·VIN)/D。D为每个功率转换单元的占空比。
图5示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合功率转换系统的示意图。图5中所示的相位减少的混合功率转换系统500类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，至少两个功率转换单元共享低侧开关和相应的电感器。如图5所示，相位减少的混合功率转换系统500包括N个功率转换单元。在一些实施例中，功率转换单元111和113被配置为工作在相同的工作相位。这两个功率转换单元可以共享相同的低侧开关和相同的电感器。如图5所示，功率转换单元111的电容器C1连接低侧开关SLN-1和电感器LN-1的公共节点。
应当注意，图5中使用的相位减少的操作纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的相位减少的配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，如果将两个以上功率转换单元配置为工作在相同的工作相位中，则这些功率转换单元可以共享低侧开关和电感器。
图6示出了根据本公开各实施例的另一混合功率转换系统的示意图。图6中所示的混合功率转换系统600类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，通过采用附加的高侧开关和钳位电容器减小了高侧开关的电压应力。如图6所示，SLS单元110包括两个开关和一个电感器。SCLS单元111和112包括一个附加的开关和一个附加的电容器。例如，SCLS单元111包括高侧开关SH11、SH12、电容器C1、C11、低侧开关SL1和电感器L1。附加的高侧开关SH12和钳位电容器C11有助于在混合功率转换系统600的所有开关上实现相同的电压应力。具体地，图6的每个开关的电压应力为VIN/N。
图7示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图。图7中所示的混合功率转换系统700类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，多个功率转换单元的电感器彼此磁耦合。
应当注意，图7中使用的磁耦合纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的磁耦合配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，不必使所有电感器彼此磁耦合。在一些实施例中，仅预定数量的电感器彼此磁耦合。
图8示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图。图8中所示的混合功率转换系统800类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，混合功率转换系统800包括启动开关S1。在一些实施例中，启动开关S1在混合功率转换系统800启动过程期间用作线性调节器或低压降(low dropout,LDO)调节器。更具体地，控制启动开关S1使得混合功率转换系统800的电容器被预充电到合适的电压电平。另外，在混合功率转换系统800启动过程中，采用启动开关S1来控制浪涌电流。
根据一实施例，启动开关S1可以是MOSFET器件。可选地，启动开关S1可以是任何可控的开关，例如IGBT、IGCT、GTO、SCR、JFET、MCT等。
图9示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的示意图。图9中所示的混合功率转换系统900类似于图8中所示的混合功率转换系统800，不同之处在于，功率转换单元113的启动开关S1和高侧开关合并为单个开关。
在混合功率转换系统900启动过程中，控制启动开关S1使得混合功率转换系统900的电容器被预充电到合适的电压电平。在混合功率转换系统900的启动过程完成之后，启动开关S1用作高侧开关。
图10示出了根据本公开各实施例的用于控制图1所示混合功率转换系统的方法的流程图。图10所示的流程图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，可以添加、删除、替换、重新布置和重复图10所示的各个步骤。
再次参考图1，混合功率转换系统100包括N个功率转换单元。N个功率转换单元被配置为工作在M个工作相位。M的范围为2至N。在操作中，可以动态地调整工作相位的总数，以提高混合功率转换系统100的性能。
在步骤1002，第一感测设备被配置为检测混合功率转换系统的输出电压。第二感测设备被配置为检测混合功率转换系统的负载电流。
在步骤1004，响应于负载瞬态，在混合功率转换系统的一个功率转换单元上施加短路。短路是通过使功率转换单元的高侧开关始终保持接通而功率转换单元的低侧开关始终保持关断来实现的。通过使功率转换单元短路，功率转换单元的总数减少了1。因此，混合功率转换系统的输出电压相应地增加。
在步骤1006，在负载瞬态结束之后，短路从功率转换单元中去除。功率转换单元及其相邻的功率转换单元被配置为工作在不同的工作相位。
图11示出了根据本公开各实施例的用于控制图1所示混合功率转换系统的另一方法的流程图。图11所示的流程图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，可以添加、删除、替换、重新布置和重复图11所示的各个步骤。
再次参考图1，混合功率转换系统100包括N个功率转换单元。N个功率转换单元被配置为工作在M个工作相位。M的范围为2至N。在操作中，可以动态地调整工作相位的总数，以提高混合功率转换系统100的性能。
在步骤1102，多个感测设备被配置为检测混合功率转换系统的输入电压、输出电压和/或负载电流。
在步骤1104，响应于诸如输入电压下降的工作条件变化，控制器动态地减少混合功率转换系统的工作相位的总数。例如，在该工作条件变化之前，混合功率转换系统被配置为工作在四个工作相位。最大占空比为25％。在该工作条件变化之后，混合功率转换系统的多个功率转换单元被配置为工作在两个工作相位。最大占空比从25％增加到50％。
在步骤1106，响应于诸如输入电压增加的另一工作条件变化，控制器动态地增加混合功率转换系统的工作相位的总数。例如，在该工作条件变化之前，混合功率转换系统被配置为工作在四个工作相位。最大占空比为25％。在该工作条件变化之后，混合功率转换系统的多个功率转换单元被配置为工作在八个工作相位。因此，最大占空比从25％降低到12.5％。
图12示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的框图。混合功率转换系统1200包括多个并联连接在电源150与负载160之间的功率模块。每个功率模块可以被实现为图2所示的混合功率转换系统100。可选地，图12的每个功率模块可被实现为本公开中示出的任何合适的功率转换电路。例如，每个功率模块可以被实现为图5所示的相位减少的混合功率转换系统500。可选地，图12的功率模块可以被实现为混合功率转换系统100和相位减少的混合功率转换系统500的组合。
再次参考图2，混合功率转换系统100包括N个功率转换单元。N个功率转换单元可以被配置为工作在K个工作相位。K为预定整数。图12中示出了M个模块。相邻两个模块之间存在相移。每个模块中的工作相位以及相邻模块之间的相移有助于实现交错操作，从而减少输入电流纹波和输出电流纹波。电流纹波的频率等于K·M·fs，其中，fs为混合功率转换系统1200的开关频率。
图13示出了根据本公开各实施例的四单元混合功率转换系统的框图。四单元混合功率转换系统1300类似于图1中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，四单元混合功率转换系统1300仅具有三个SCLS单元。以上已经相对于图1至图2描述了SCLS单元和SLS单元的结构和工作原理，因此本文中不再进行讨论。
图14示出了根据本公开各实施例的图13所示四单元混合功率转换系统的示意图。四单元混合功率转换系统1300类似于图2中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，四单元混合功率转换系统1300仅具有三个SCLS单元和一个SLS单元。以上已经相对于图2描述了SCLS单元和SLS单元的结构和工作原理，因此本文中不再进行讨论。
图15示出了根据本公开各实施例的应用于图13所示四单元混合功率转换系统的第一控制方案。在一些实施例中，四单元混合功率转换系统1300被配置为工作在四个不同的工作相位。响应于四个不同的工作相位，将四单元混合功率转换系统1300的开关周期分为四个相等的部分。SCLS单元113的高侧开关在范围为0至T/4的第一部分中接通。SCLS单元112的高侧开关在范围为T/4至T/2的第二部分中接通。SCLS单元111的高侧开关在范围为T/2至3T/4的第三部分中接通。SLS单元110的高侧开关在范围为3T/4至T的第四部分中接通。
图16示出了根据本公开各实施例的应用于图13所示四单元混合功率转换系统的第二控制方案。在一些实施例中，四单元混合功率转换系统1300被配置为工作在两个不同的工作相位。响应于两个不同的工作相位，将四单元混合功率转换系统1300的开关周期分为两个相等的部分。SCLS单元113的高侧开关在范围为0至T/2的第一部分中接通。SCLS单元112的高侧开关在范围为T/2至T的第二部分中接通。SCLS单元111的高侧开关在范围为0至T/2的第一部分中接通。SLS单元110的高侧开关在范围为T/2至T的第二部分中接通。
在一些实施例中，由于这两个单元被配置为工作在相同的工作相位，所以SCLS单元113和SCLS单元111可以共享相同的低侧开关和相同的电感器。同样，SCLS单元112和SLS单元110可以共享相同的低侧开关和相同的电感器，因为这两个单元被配置为工作在相同的工作相位。以下将参照图17至图19描述共享配置的低侧开关和电感器。
图17示出了根据本公开各实施例的图16所示四单元混合功率转换系统的第一实现的示意图。由于SCLS单元112和SLS单元110被配置为工作在相同的工作相位，因此这两个单元的低侧开关和电感器可以合并在一起。如图17所示，SCLS单元112和SLS单元110共享相同的低侧开关SL0和相同的电感器L0。
图18示出了根据本公开各实施例的图16所示四单元混合功率转换系统的第二实现的示意图。由于SCLS单元113和SCLS单元111被配置为工作在相同的工作相位，因此这两个单元的低侧开关和电感器可以合并在一起。如图18所示，SCLS单元113和SCLS单元111共享相同的低侧开关SL3和相同的电感器L3。
图19示出了根据本公开各实施例的图16所示四单元混合功率转换系统的第三实现的示意图。由于四个单元被配置为工作在两个工作相位，因此可以将在同一相位工作的两个单元的低侧开关和电感器合并在一起。如图19所示，SCLS单元113和SCLS单元111共享相同的低侧开关SL3和相同的电感器L3。SCLS单元112和SLS单元110共享相同的低侧开关SL0和相同的电感器L0。
图20示出了根据本公开各实施例的应用于图13所示四单元混合功率转换系统的第三控制方案。在一些实施例中，四单元混合功率转换系统1300被配置为工作在三个不同的工作相位。响应于三个不同的工作相位，四单元混合功率转换系统1300的开关周期分为三个相等的部分。SCLS单元113的高侧开关在范围为0至T/3的第一部分中接通。SCLS单元112的高侧开关在范围为T/3至2T/3的第二部分中接通。SCLS单元111的高侧开关在范围为0至T/3的第一部分中接通。SLS单元110的高侧开关在范围为2T/3至T的第三部分中接通。
在一些实施例中，SCLS单元113和SCLS单元111可以共享相同的低侧开关和相同的电感器，因为这两个单元被配置为工作在相同的工作相位。以下将参考图21描述共享配置的低侧开关和电感器。
图21示出了根据本公开各实施例的图20所示四单元混合功率转换系统的实现的示意图。由于SCLS单元113和SCLS单元111被配置为工作在相同的相位，因此这两个单元的低侧开关和电感器可以合并在一起。如图21所示，SCLS单元113和SCLS单元111共享相同的低侧开关SL3和相同的电感器L3。
图22示出了根据本公开各实施例的十二单元混合功率转换系统的框图。十二单元混合功率转换系统2200包括11个开关-电容器(switch-capacitor,SC)单元、1个开关(switch,S)单元和3个电感器-开关(inductor-switch,LS)单元。如图22所示，每个SC单元包括高侧开关和电容器。每个S单元包括高侧开关。如图22所示，每个LS单元均包括低侧开关和电感器。
在一些实施例中，单元0、3、6和9被配置为工作在相同相位。由于具有相同的相位，单元0、3、6和9共享相同的低侧开关和相同的电感器。如图22所示，单元0、3、6和9的输出端连接在一起，并进一步连接到LS单元1。LS单元1包括单元0、3、6的共享的低侧开关和电感器。同样，单元1、4、7和10被配置为工作在相同的相位。由于具有相同的相位，单元1、4、7和10共享相同的低侧开关和相同的电感器。如图22所示，单元1、4、7和10的输出端连接在一起，并进一步连接到LS单元2。LS单元2包括单元1、4、7和10的共享的低侧开关和的电感器。单元2、5、8和11被配置为工作相同的相位。由于具有相同的相位，单元2、5、8和11共享相同的低侧开关和相同的电感器。如图22所示，单元2、5、8和11的输出端连接在一起，并进一步连接到LS单元3。LS单元3包括单元2、5、8和11的共享的低侧开关和电感器。
图23示出了根据本公开各实施例的又一混合功率转换系统的框图。混合功率转换系统2300包括四个并联连接在电源150与负载160之间的功率模块。每个功率模块可以被实现为图22所示的混合功率转换系统2200。可选地，图23的每个功率模块可以被实现为本公开中示出的任何合适的混合功率转换电路。
图23的每个模块的功率转换单元可以被配置为工作在以上描述的相对于图22所述的三个不同的工作相位。如图23所示，四个模块并联连接。相邻两个模块之间存在相移。每个模块中的不同工作相位以及相邻模块之间的相移有助于实现交错操作，从而减少输入电流纹波和输出电流纹波。
图24示出了根据本公开各实施例的八单元混合功率转换系统的框图。八单元混合功率转换系统2400类似于图1中所示的混合功率转换系统100，不同之处在于，八单元混合功率转换系统2400仅具有七个SCLS单元111-117。以上已经相对于图1至图2描述了SCLS单元和SLS单元的结构和工作原理，因此本文中不再进行讨论。在整个说明书中，单元110、112、114、116可选地称为偶数单元。单元111、113、115、117可选地称为奇数单元。
在一些实施例中，八单元混合功率转换系统2400的每个单元包括高侧开关和低侧开关。高侧开关和低侧开关由互补的栅极驱动信号控制。相邻两个单元的高侧开关不能同时接通。
图25示出了根据本公开各实施例的图24所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第一实现的时序图。图25的水平轴表示时间间隔。可能存在四个垂直轴。第一垂直轴Y1代表偶数单元的高侧开关的栅极驱动信号。第二垂直轴Y2代表偶数单元的低侧开关的栅极驱动信号。第三垂直轴Y3代表奇数单元的高侧开关的栅极驱动信号。第四垂直轴Y4代表奇数单元的低侧开关的栅极驱动信号。
再次参考图24，单元110、112、114和116被配置为工作在相同的相位。单元110、112、114和116的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元111、113、115和117被配置为工作在相同的相位。单元111、113、115和117的开关由相同的栅极驱动信号驱动。采用相移交错控制机制来生成图25所示的栅极驱动信号。
如图25所示，在时刻t1，单元110、112、114和116的低侧开关关断，并且单元110、112、114和116的高侧开关接通。应当注意，低侧开关的关断与高侧开关的接通之间可能存在适当的延迟(时滞)。时滞有助于防止直通电流(shoot-through current)流经开关。
在时刻t2，单元110、112、114和116的高侧开关关断，并且单元110、112、114和116的低侧开关接通，如栅极驱动信号表示的。应当注意，在高侧开关的关断与低侧开关的接通之间可能存在适当的延迟。
如图25所示，在适当的时延之后，在时刻t3，单元111、113、115和117的高侧开关接通。单元111、113、115和117的低侧开关关断。在时刻t4，单元111、113、115和117的高侧开关关断并且单元111、113、115和117的低侧开关接通，如栅极驱动信号所表示的。应当注意，在关断/接通过渡期间，需要适当的延迟来防止直通电流流经开关。
如图25所示，每个单元的高侧开关和低侧开关由互补的栅极驱动信号驱动。图24中所示的单元被配置为工作在两个不同的工作相位。更具体地，图24的相邻两个单元被配置为工作在两个不同的工作相位。每个单元的最大占空比约为50％。
应当注意，图25所示的时序图仅为示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，偶数单元的高侧开关的关断与奇数单元的高侧开关的接通之间的时延可以根据不同的应用和设计需要而变化。
图26示出了根据本公开各实施例的图24所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第二实现的时序图。图26的水平轴代表时间间隔。可能存在四个垂直轴。第一垂直轴Y1代表单元110和114的高侧开关的栅极驱动信号。第二垂直轴Y2代表单元111和115的高侧开关的栅极驱动信号。第三垂直轴Y3代表单元112和116的高侧开关的栅极驱动信号。第四垂直轴Y4代表单元113和117的高侧开关的栅极驱动信号。
再次参考图24，单元被配置为工作在四个不同的工作相位。具体地，单元110和114被配置为工作在第一工作相位。单元110和114的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元111和115被配置为工作在第二工作相位。单元111和115的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元112和116被配置为工作在第三工作相位。单元112和116的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元113和117被配置为工作在第四工作相位。单元113和117的开关由相同的栅极驱动信号驱动。
采用理想交错控制机制来生成图26所示的栅极驱动信号。开关周期为从t1至t9。在时刻t1，单元110和114的高侧开关接通。如图26所示，单元111-113和115-117的高侧开关保持关断。在时刻t2，单元110和114的高侧开关关断。在适当的第一时延之后，在时刻t3，单元111和115的高侧开关接通。在时刻t4，单元111和115的高侧开关关断。在适当的第二时延之后，在时刻t5，单元112和116的高侧开关接通。在时刻t6，单元112和116的高侧开关关断。在适当的第三时延之后，在时刻t3，单元113和117的高侧开关接通。在时刻t8，单元113和117的高侧开关关断。在适当的第四延迟之后，在时刻t9，单元110和114的高侧开关接通。八单元混合功率转换系统进入新的开关周期。
应当注意，每个单元的高侧开关和低侧开关由互补的栅极驱动信号驱动。图24中所示的单元被配置为工作在四个不同的工作相位。每个单元的最大占空比约为25％。
应当注意，图26所示的时序图仅为示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，图24的单元可以被配置为工作在M个不同的工作相位。M为预定整数。M可以根据不同的应用和设计需求而变化。此外，在一些实施例中，每个工作相位可以包括一个单元。可选地，每个工作相位可以包括多个单元。
图27示出了根据本公开各实施例的图24所示八单元混合功率转换系统的栅极控制方案的第三实现的时序图。图27的水平轴表示时间间隔。可能存在四个垂直轴。第一垂直轴Y1代表单元110和114的高侧开关的栅极驱动信号。第二垂直轴Y2代表单元111和115的高侧开关的栅极驱动信号。第三垂直轴Y3代表单元112和116的高侧开关的栅极驱动信号。第四垂直轴Y4代表单元113和117的高侧开关的栅极驱动信号。
再次参考图24，单元被配置为工作在四个不同的工作相位。具体地，单元110和114被配置为工作在第一工作相位。单元110和114的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元111和115被配置为工作在第二工作相位。单元111和115的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元112和116被配置为工作在第三工作相位。单元112和116的开关由相同的栅极驱动信号驱动。单元113和117被配置为工作在第四工作相位。单元113和117的开关由相同的栅极驱动信号驱动。
采用级联交错控制机制来生成图27所示的栅极驱动信号。从t1至t9的时间代表两个开关周期。在时刻t1，单元110和114的高侧开关接通。在时刻t2，单元110和114的高侧开关关断。如图27所示，在从t1至t2的时间段内，相邻单元111和115的高侧开关保持关断。如图27所示，单元112-113和116-117的高侧开关可以接通。
在单元110和114的高侧开关关断之后，在时刻t3，单元111和115的高侧开关接通。应当注意，在t2和t3之间存在时延。在时刻t4，单元111和115的高侧开关关断。在另一时延之后，在时刻t5，单元112和116的高侧开关接通。在时刻t6，单元112和116的高侧开关关断。在又一时延之后，在时刻t7，单元113和117的高侧开关接通。在时刻t8，单元113和117的高侧开关关断。在又一时延之后，在时刻t9，单元110和114的高侧开关接通。
应当注意，每个单元的高侧开关和低侧开关由互补的栅极驱动信号驱动。图24中所示的单元被配置为工作在四个不同的工作相位。每个单元的最大占空比约为50％。
应当注意，图27所示的时序图仅为示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，图24的单元可以被配置为工作在M个不同的工作相位。M为预定整数。M可根据不同的应用和设计需求而变化。此外，在一些实施例中，每个工作相位可以具有一个单元。可选地，每个工作相位可以包括多个单元。
图25至图27示出了三种不同的工作模式。图25所示的第一工作模式在相移交错控制机制下执行。图26所示的第二工作模式在理想交错控制机制下执行。图27所示的第三工作模式在级联交错控制机制下执行。
在一些实施例中，混合功率转换系统包括N个被配置为工作在M个工作相位的功率转换单元。M小于或等于N，并且M大于或等于2。N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位。
在一些实施例中，如果混合功率转换系统工作在第一工作模式(相移交错控制机制)，则N个功率转换单元中的每个单元的最大占空比为50％(1/2)。在第一工作模式下，N个功率转换单元中的奇数个功率转换单元工作在第一工作相位，N个功率转换单元中的偶数个功率转换单元工作在第二工作相位。M等于2。
在一些实施例中，如果混合功率转换系统工作在第二工作模式(理想交错控制机制)，则N个功率转换单元中的每个单元的最大占空比为1/M。例如，如图26所示，混合功率转换系统工作在四个不同的相位(M＝4)。因此，N个功率转换单元中的每个单元的最大占空比为25％(1/4)。
在一些实施例中，如果混合功率转换系统工作在第三工作模式(级联交错控制机制)，则N个功率转换单元中的每个单元的最大占空比为50％(1/2)。例如，如图27所示，混合功率转换系统工作在四个不同的相位(M＝4)。N个功率转换单元中每个单元的最大占空比为50％。
在正常操作中，混合功率转换系统的N个功率转换单元被配置为工作在第二工作模式(理想交错控制机制)，以最小化输出纹波。在负载瞬态期间，混合功率转换系统的N个功率转换单元被配置为退出第二工作模式(理想交错控制机制)并进入第一工作模式(相移交错控制机制)或第三工作模式(级联交错控制机制)以改善负载瞬态响应。
此外，在负载瞬态期间，N个功率转换单元中的一个功率转换单元上可以施加短路，以改善负载瞬态响应。而且，在负载瞬态期间，可以动态地调整工作相位的数量以改善负载瞬态响应。
图28示出了根据本公开各实施例的混合升降压功率转换系统的框图。混合升降压功率转换系统2800包括多个级联连接在电源150与负载160之间的升降压单元2810、2811、2812和2813。每个升降压单元包括降压转换器单元(例如，单元110、111、112和113)和升压转换器单元(例如，单元1101、1111、1121和1131)。如图28所示，降压转换器单元为(N-1)个SCLS单元和一个SLS单元。SCLS单元和SLS单元的结构和工作原理已在上面相对于图1至图2进行了描述，因此本文中不再讨论。升压转换器单元(例如，单元1101)包括两个开关。每个降压转换器单元(例如，单元111)及其相应的升压转换器单元(例如，单元1101)形成升降压功率转换器。
图29示出了根据本公开各实施例的图28所示混合升降压功率转换系统的示意图。如图29所示，每个升压转换器单元(例如，单元1101)包括两个开关。第一开关(例如，开关SBH0)连接在降压转换器单元的输出端与混合升降压功率转换系统2800的输出电容器Co之间。第二开关(例如，开关SBL0)连接在降压转换器单元的输出端与地之间。如图29所示，降压转换器单元(例如，单元110)和升压转换器单元(例如，单元1101)形成四开关升降压转换器。
应当注意，上述示意图仅为示例性实现，并不意味着限制当前实施例。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，升压转换器单元的开关(例如，开关SBH1)可以替换为二极管。
图30示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合升降压功率转换系统的示意图。图30中所示的相位减少的混合升降压功率转换系统3000类似于图29中所示的混合升降压功率转换系统2800，不同之处在于，至少两个单元共享低侧开关、电感器和升压转换器单元。如图30所示，相位减少的混合升降压功率转换系统3000包括N个功率转换单元。在一些实施例中，功率转换单元111和113被配置为工作在相同的工作相位。这两个功率转换单元可以共享低侧开关、电感器和升压转换器单元。如图30所示，功率转换单元111的电容器C1连接开关SLN-1和电感器LN-1的公共节点。
应当注意，图30中使用的相位减少的操作纯粹是为了演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的相位减少的配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，如果两个以上功率转换单元工作在相同的工作相位，则这些功率转换单元可以共享低侧开关、电感器和升压转换器单元。
图31示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图。图31中所示的混合升降压功率转换系统3100类似于图29中所示的混合升降压功率转换系统2800，不同之处在于，通过采用附加的高侧开关和电容器降低了高侧开关的电压应力。如图31所示，SLS单元110包括两个开关和一个电感器。SCLS单元111和112包括一个附加的开关和一个附加的电容器。例如，SCLS单元111包括高侧开关SH11和SH12、电容器C1和C11、低侧开关SL1和电感器L1。附加的高侧开关SH12和附加的电容器C11有助于在SCLS单元的所有高侧开关上实现相同的电压应力。具体地，SCLS单元的高侧开关的电压应力为VIN/N。
图32示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图。图32中所示的混合升降压功率转换系统3200类似于图29中所示的混合升降压功率转换系统2800，不同之处在于，多个功率转换单元的电感器彼此磁耦合。如图32所示，电感器L0、L1、L2和LN-1彼此磁耦合。
应当注意，图32中使用的磁耦合纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的相位减少的配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，不必使所有电感器彼此磁耦合。在一些实施例中，仅预定数量的电感器彼此磁耦合。
图33示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的框图。混合升降压功率转换系统3300类似于图28中所示的混合升降压功率转换系统2800，不同之处在于，电源150和负载160被交换。如图33所示，负载160连接SCLS单元113。电源150连接降压转换器单元1101。在交换电源150和负载160之后，单元1101、1111、1121和1131用作降压转换器单元。单元110、111、112和113用作升压转换器单元。
图34示出了根据本公开各实施例的图33所示混合升降压功率转换系统的示意图。混合升降压功率转换系统3400的示意图类似于图29中所示的混合升降压功率转换系统2800的示意图，不同之处在于，每个上部单元(例如，单元110、111、112和113)被配置为用作升压转换器单元，并且每个下部单元(例如，单元1101、1111、1121和1131)被配置为用作降压转换器单元。
图35示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图。混合升降压功率转换系统3500的示意图类似于图34中所示的混合升降压功率转换系统3400的示意图，不同之处在于，电源被分成了多个电源VIN0、VIN1、VIN2和VINN-1。每个升降压功率转换单元(例如，升降压功率转换单元110/1101)具有专用的输入电源。
图36示出了根据本公开各实施例的相位减少的混合升降压功率转换系统的示意图。图36中所示的相位减少的混合升降压功率转换系统3600类似于图34中所示的混合升降压功率转换系统3400，不同之处在于，至少两个单元共享低侧开关、相应的电感器和降压转换器单元。如图36所示，相位减少的混合升降压功率转换系统3600包括N个功率转换单元。在一些实施例中，功率转换单元111和113工作在相同的工作相位。这两个功率转换单元可以共享低侧开关、电感器和降压转换器单元(例如，降压转换器单元1131)。如图36所示，功率转换单元111的电容器C1连接开关SLN-1和电感器LN-1的公共节点。
应当注意，图36中使用的相位减少的操作纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的相位减少的配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，如果两个以上功率转换单元工作在相同的工作相位，则这些功率转换单元可以共享低侧开关、电感器和升压转换器单元。
图37示出了根据本公开各实施例的另一混合升降压功率转换系统的示意图。图37中所示的混合升降压功率转换系统3700类似于图34中所示的混合升降压功率转换系统3400，不同之处在于，多个功率转换单元的电感器彼此磁耦合。如图37所示，电感器L0、L1、L2和LN-1彼此磁耦合。
应当注意，图37中使用的磁耦合纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开各实施例限制为任何特定的磁耦合配置。本领域普通技术人员将认识到许多变型、替代和修改。例如，不必使所有电感器彼此磁耦合。在一些实施例中，仅预定数量的电感器彼此磁耦合。
图38示出了根据本公开各实施例的又一混合升降压功率转换系统的框图。混合升降压功率转换系统3800包括多个并联连接在电源150与负载160之间的功率模块。每个功率模块可以被实现为图28所示的混合升降压功率转换系统2800。可选地，图38的每个功率模块可以被实现为本公开中所示的任何合适的功率转换电路。
图38的每个模块的功率转换单元可以被配置为工作在K个工作相位。K为预定整数。如图38所示，有M个模块并联连接。相邻两个模块之间存在相移。每个模块中的工作相位以及相邻模块之间的相移有助于实现交错操作，从而减少输入电流纹波和输出电流纹波。电流纹波的频率等于K·M·fs，其中，fs为混合升降压功率转换系统3800的开关频率。
图39示出了根据本公开各实施例的又一混合升降压功率转换系统的框图。混合升降压功率转换系统3900包括多个并联连接在电源150与负载160之间的功率模块。每个功率模块可以被实现为图33所示的混合升降压功率转换系统3300。可选地，图39的每个功率模块可以被实现为本公开中所示的任何合适的功率转换电路。
图38的每个模块的功率转换单元可以被配置为工作在K个工作相位。K为预定整数。图39中示出了M个模块。相邻两个模块之间存在相移。每个模块中的工作相位以及相邻模块之间的相移有助于实现交错操作，从而减少输入电流纹波和输出电流纹波。电流纹波的频率等于K·M·fs，其中，fs为混合升降压功率转换系统3900的开关频率。
图40示出了根据本公开各实施例的两级功率转换系统的框图。两级功率转换系统4000包括级联连接在电源150与负载160之间的第一功率转换级4001和第二功率转换级4002。在一些实施例中，第一功率转换级4001被实现为具有固定占空比(开环)的混合功率转换系统。第一功率转换级4001的混合功率转换系统可以是上述的任何混合功率转换系统。
第二功率转换级4002被实现为具有可调占空比的混合功率转换系统。第二功率转换级4002的混合功率转换系统可以是上述的任何混合功率转换系统。第一功率转换级4001的输出电压高于第二功率转换级4002的输出电压。两级功率转换系统4000可以在高降压比和高功率应用中实现高效率。
图41示出了根据本公开各实施例的另一两级功率转换系统的框图。两级功率转换系统4100包括级联连接在电源150与负载160之间的第一功率转换级4101和第二功率转换级4102。在一些实施例中，第一功率转换级4101被实现为具有可调占空比的混合功率转换系统。第一功率转换级4101的混合功率转换系统可以是上述的任何混合功率转换系统。
第二功率转换级4102被实现为具有固定占空比(开环)的混合功率转换系统。第二功率转换级4102的混合功率转换系统可以是上述的任何混合功率转换系统。可以通过调节第一功率转换级4101的占空比来调节两级功率转换系统4100的输出电压。两级功率转换系统4100可以在高降压比和高功率应用中实现高效率。
尽管已经详细描述了本公开实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和修改。
此外，本申请的范围并不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员根据本公开的公开内容将轻而易举地理解的，根据本公开可使用目前存在或以后将要开发的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤执行与本文中描述的相应实施例基本相同的功能或实现与本文中描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。因此，说明书和附图应仅视为对所附权利要求书限定的本公开的说明，并且旨在涵盖落入本公开范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同物。

Claims (19)

1.一种方法，包括：
配置N个功率转换单元工作在M个工作相位，其中，N和M为预定整数，并且其中，M小于或等于N且M大于或等于2；和
配置所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，其中，所述N个功率转换单元级联连接在电源与负载之间，并且其中，每个功率转换单元的最大占空比的范围为1/M至1/2；
其中，所述N个功率转换单元包括第一功率转换单元和第二功率转换单元，所述第一功率转换单元为包括第一开关、第二开关和第一电感器的开关-电感器-开关SLS单元，并且所述第二功率转换单元为包括第三开关、电容器、第四开关和第二电感器的开关-电容器-电感器-开关SCLS单元。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；和
配置所述N个功率转换单元工作在第二交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
在正常操作中，配置所述N个功率转换单元工作在所述第一交错控制模式下以最小化输出纹波；和
在负载瞬态期间，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第二交错控制模式以改善负载瞬态响应。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中：
在理想交错控制机制下执行所述第一交错控制模式；和
在级联交错控制机制下执行所述第二交错控制模式。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；和
配置所述N个功率转换单元工作在第三交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在正常操作中，配置所述N个功率转换单元工作在所述第一交错控制模式下以最小化输出纹波；和
在负载瞬态期间，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第三交错控制模式以改善负载瞬态响应。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中：
在理想交错控制机制下执行所述第一交错控制模式；和
在相移交错控制机制下执行所述第三交错控制模式。
8.根据权利要求1至2以及5至6中任一项所述的方法，其中：
在相移交错控制机制下，所述N个功率转换单元的奇数个功率转换单元工作在第一工作相位，并且所述N个功率转换单元的偶数个功率转换单元工作在第二工作相位。
9.根据权利要求1至3以及5至6中任一项所述的方法，其中，
所述第一功率转换单元直接连接至所述负载；和
所述第二功率转换单元紧邻所述第一功率转换单元。
10.根据权利要求1至3以及5至6中任一项所述的方法，其中：
所述第一开关和所述第二开关串联连接在所述第一功率转换单元的输入端子与地之间；和
所述第一电感器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第一功率转换单元的输出端子之间。
11.根据权利要求1至3以及5至6中任一项所述的方法，其中：
所述第三开关、所述电容器和所述第四开关串联连接在所述第二功率转换单元的输入端子与地之间；和
所述第二电感器连接在所述电容器和所述第四开关的公共节点与所述第二功率转换单元的输出端子之间，并且其中：
所述第二功率转换单元的输出端子连接至所述第一功率转换单元的输出端子；和
所述第一功率转换单元的输入端子连接至所述第三开关和所述电容器的公共节点。
12.一种方法，包括：
配置N个功率转换单元工作在M个工作相位，其中，N和M为预定整数，M在2和N之间；和
配置所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，其中，所述N个功率转换单元级联连接在电源与负载之间；
其中，所述N个功率转换单元中的第一功率转换单元为包括第一高侧开关、第一低侧开关和第一电感器的开关-电感器-开关SLS单元，并且所述N个功率转换单元中的第二功率转换单元为包括第二高侧开关、电容器、第二低侧开关和第二电感器的开关-电容器-电感器-开关SCLS单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述第一高侧开关和所述第一低侧开关串联连接在所述第一功率转换单元的输入端子与地之间，所述第一电感器连接在所述第一高侧开关和所述第一低侧开关的公共节点与所述第一功率转换单元的输出端子之间；和
所述第二高侧开关、所述电容器、所述第二低侧开关串联连接在所述第二功率转换单元的输入端子与地之间，并且所述第二电感器连接在所述电容器和所述第二低侧开关的公共节点与所述第二功率转换单元的输出端子之间。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
配置所述N个功率转换单元工作在第一交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/N；
配置所述N个功率转换单元工作在第二交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在N个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2；和
配置所述N个功率转换单元工作在第三交错控制模式下，其中，所述N个功率转换单元工作在两个不同的工作相位，并且其中，所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元的最大占空比为1/2，并且其中，响应于负载瞬态，配置所述N个功率转换单元退出所述第一交错控制模式并进入所述第二交错控制模式或所述第三交错控制模式以改善负载瞬态响应。
15.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
响应于负载瞬态，对所述N个功率转换单元中的一个功率转换单元施加短路。
16.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
动态调整应用于所述N个功率转换单元的工作相位数量。
17.一种系统，包括：
多个并联连接在电源与负载之间的功率模块，其中：
每个功率模块包括N个功率转换单元，并且其中，所述N个功率转换单元被配置为工作在M个工作相位，所述N个功率转换单元中的相邻两个功率转换单元被配置为工作在两个不同的工作相位；和
所述多个功率模块中的相邻两个功率模块被配置为使得所述相邻两个功率模块的栅极驱动信号之间设置相移，其中所述N个功率转换单元包括连接在所述电源与所述负载之间的开关-电感器-开关SLS单元和N-1个开关-电容器-电感器-开关SCLS单元，所述SLS单元包括第一高侧开关、第一低侧开关和第一电感器，并且所述SCLS单元包括第二高侧开关、电容器、第二低侧开关和第二电感器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中：
所述第一高侧开关和所述第一低侧开关串联连接在所述SLS单元的输入端子与地之间，所述第一电感器连接在所述第一高侧开关和所述第一低侧开关的公共节点与所述SLS单元的输出端子之间；和
所述第二高侧开关、所述电容器、所述第二低侧开关串联连接在所述SCLS单元的输入端子与地之间，并且所述第二电感器连接在所述电容器和所述第二低侧开关的公共节点与所述SCLS单元的输出端子之间。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中：
所述N个功率转换单元被配置为在正常操作中工作在理想交错控制模式下，并且在负载瞬态期间工作在级联交错控制模式下，其中：
所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元在所述级联交错控制模式下的最大占空比大于所述N个功率转换单元中的每个功率转换单元在所述理想交错控制模式下的最大占空比。
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