CN114391218A - 宽电压范围dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个方面，提供一种包括两级DC‑DC转换器的装置。该转换器由多电平DC‑DC转换器级和固定电压比DC‑DC转换器级串联组成。控制该转换器，使得转换器的第一级提供一种优化的输出(调节的总线电压)，作为第二级的输入。多电平DC‑DC转换器可以是第一级，并且电压转换比率是固定的，非调节的DC‑DC转换器可以是第二级转换器。或者，固定电压转换比率的，非调节的DC‑DC转换器可以是第一级的，多电平DC‑DC转换器可以是第二级的。

Description

宽电压范围DC-DC转换器
技术领域
本申请通常涉及电力转换器领域，并且，特别地，涉及DC-DC转换器。
背景技术
电力电路包括AC-DC电源转换器和DC-DC电源转换器。DC-DC转换器可用于电信基站，计算数据中心，电动汽车充电器和许多其他类型的设备。高功率密度，高转换效率和宽输入/输出电压范围都是DC-DC转换器的理想特性，但是，在DC-DC转换器中，同时实现这三个特性并不容易。
诸如LLC转换器，移相全桥转换器，双有源桥(DAB转换器)等单级拓扑，，都是实现这种特性组合的良好拓扑候选，但是，当输入和/或输出电压范围较宽时，效率通常较低。已经使用了两级DC-DC转换器，每一级都有不同的转换器拓扑。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种包括DC-DC转换器的装置。所述转换器包括第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且包括第一级输出的多电平转换器级。所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在所述范围内。所述多电平转换器级用于向所述第一级输出输出调节的总线电压。所述转换器还包括第二转换器级，所述第二转换器级包括电压比转换器级，所述电压比转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出。所述电压比转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)。所述调节的总线电压由所述第二级输出电压上的所述调节的总线电压的电压转换比率(“n”)定义。所述多电平转换器级包括降压转换器，所述降压转换器用于，当Vin_min大于Vin_typ/2时，使所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min的范围内，或者，所述多电平转换器级包括升压转换器，所述升压转换器用于，当Vin_max小于Vin_typ*2时，使所述调节的总线电压在Vin_max至Vin_typ*2的范围内。
可选地，在前述任一方面中，所述多电平转换器级包括降压转换器，并且Vin_min大于Vin_typ/2；以及，所述电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围。在这些方面中，所述第二级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min或n*Vout_min至Vin_min的较宽范围内。
可选地，在前述任一方面中，所述多电平转换器级包括升压转换器，并且Vin_max小于Vin_typ*2；以及，所述电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围。在这些方面中，所述第二级的所述电压转换比率等于或大于Vin_max/Vout_min；以及所述调节的总线电压在Vin_max至Vin_typ*2或Vin_max至n*Vout_max的较宽范围内。
根据本发明的另一个方面，DC-DC转换器包括第一多电平减压转换器级，所述第一多电平减压转换器级具有第一级输入并且包括第一级输出，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在所述范围内，以及，所述多电平转换器级用于向所述第一级输出输出调节的总线电压。所述DC-DC转换器还包括第二转换器级，所述第二转换器级包括隔离式电压比转换器级，所述隔离式电压比转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述电压比转换器用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)。在这个方面中，所述调节的总线电压由所述第二级输出电压上的所述调节的总线电压的电压转换比率(“n”)定义，所述减压转换器级用于，当Vin_min大于Vin_typ/2时，使所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min的范围内。
可选地，在前述任一方面中，Vin_min大于Vin_typ/2，并且，所述隔离式电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围(Vout)。在这些方面中，所述第二级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min或n*Vout_min至Vin_min的较宽范围内。
根据本发明的另一个方面，DC-DC转换器包括第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且包括第一级输出的电压比转换器级，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的宽范围内接收输入电压，具有典型电压(Vin_typ)，以及，所述电压比转换器级用于向所述第一级输出输出非调节的总线电压。所述DC-DC转换器还包括第二转换器级，所述第二转换器级包括多电平转换器级，所述多电平转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述多电平转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；所述输出电压的范围从最小输出电压(Vout_min)至具有典型输出电压(Vout_typ)最大输出电压(Vout_max)。在这个方面，所述非调节的总线电压由所述第一级的所述非调节的总线电压上的所述输入电压的电压转换比率(“n”)定义，并且所述多电平转换器级包括降压转换器，并且，所述多电平转换器级的Vout_max小于Vout_typ*2。此外，所述第一级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max，以及所述非调节的总线电压在Vout_max至Vout_typ*2或Vout_max至Vin_max/n的较宽范围内。
根据本发明的另一个方面，DC-DC转换器包括第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且包括第一级输出的电压比转换器级，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的宽范围内接收输入电压，具有典型电压(Vin_typ)，以及，所述电压比转换器级用于向所述第一级输出输出调节的总线电压。所述转换器还包括第二转换器级，所述第二转换器级包括多电平转换器级，所述多电平转换器级包括耦合到的第二级输入，所述第一级输出以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述多电平转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；所述输出电压的范围从最小输出电压(Vout_min)至具有典型输出电压(Vout_typ)最大输出电压(Vout_max)。在这个方面，所述非调节的总线电压由所述第一级的所述非调节的总线电压上的所述输入电压的电压转换比率(“n”)定义，以及所述多电平转换器级包括升压转换器，并且，所述多电平转换器级的Vout_min大于Vout_typ/2。再一方面，所述第一级的所述电压转换比率(“n”)等于或大于Vin_max/Vout_min；以及所述非调节的总线电压在Vout_typ/2至Vout_min或Vin_min/n至Vout_min的较宽范围内。
可选地，在前述任一方面中，所述电压比转换器级包括开环隔离式LLC转换器。
可选地，在前述任一方面中，所述电压比转换器级包括开环隔离式全桥转换器。
可选地，在前述任一方面中，所述电压转换比率“n”是固定的。
可选地，在前述任一方面中，所述电压转换比率“n”在固定比率的+/10％的范围内。
可选地，在前述任一方面中，所述DC-DC转换器的操作范围位Vin_min＝36V至Vin_max＝75V。
可选地，在前述任一方面中，所述DC-DC转换器的输出为12V+/-10％。
可选地，在前述任一方面中，所述第一级的转换效率在97.5％至99.5％的范围内。
可选地，在前述任一方面中，所述第二级的转换效率在97.5％至99％的范围内。
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用于帮助确定所要求主题的保护范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中提及的任何或所有缺点的实现方式。
附图说明
通过示例的方式说明本公开的各方面，并且本发明的各方面不受附图的限制，附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。
图1是本文所述的一种电子电路的第一实施例的框图。
图2是本文所述的一种电子电路的第二实施例的框图。
图3是根据图1的实施例的包括三级降压转换器第一级和LLC谐振转换器第二级的电子电路的实施例的示意图。
图4是当输入电压处于输入电压范围的最低水平时，用于图3的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图
图5是当输入电压处于输入电压范围的典型水平时，用于图3的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图
图6是当输入电压处于输入电压范围的最高水平时，用于图3的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图。
图7是根据图1的实施例的包括三级降压转换器第一级和LLC谐振转换器第二级的电子电路的实施例的示意图。
图8是当输入电压处于输入电压范围的最低水平时，用于图7的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图
图9是当输入电压处于输入电压范围的典型水平时，用于图7的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图
图10是当输入电压处于输入电压范围的最高水平时，用于图7的第一级三电平降压转换器的开关控制的时序图。
图11是根据图1的实施例的包括三级升压转换器第一级和LLC谐振转换器第二级的电子电路的实施例的示意图。
图12是包括移相全桥转换器的固定电压比转换器级的实施例的示意图。
图13是包括双有源桥转换器的固定电压比转换器级的实施例的示意图。
图14是包括谐振转换器固定电压比第一级和降压转换器第二级的电子电路的第二实施例的示意图。
具体实施方式
提供一种高效率，高功率密度，宽输入和/或输出电压范围的两级DC-DC转换器。两级DC-DC转换器由多电平DC-DC转换器级和固定电压比DC-DC转换器级串联组成。使用多电平DC-DC转换器级可实现宽输入和/或输出电压范围，高效率和高功率密度的电压调节。使用固定电压比的，非调节的DC-DC转换器级提供了高功率转换效率和高功率密度。在一个实施例中，多电平DC-DC转换器级是第一级，并且固定电压比的，非调节的DC-DC转换器是第二级转换器。在另一个实施例中，固定电压比的，非调节的DC-DC转换器是第一级的，并且多电平DC-DC转换器是第二级的。多电平DC-DC转换器级是非隔离式的，而固定电压比的，非调节DC-DC转换器级是隔离式的。
在一个方面中，控制转换器，使得转换器的第一级提供一种优化的输出(调节的总线电压)，作为第二级的输入。
为了实现高效率和高功率密度，固定电压比级最好由一个在该级的变压器中具有整数匝数比的变压器构成，例如，匝数比为2：1，3：1或5：2(2.5：1)。这允许固定电压比级的转换效率在97.0％到99.5％的范围内。DC-DC转换器用于向DC-DC转换器输入提供典型的电源电压(V_typ)的应用中。在一个实施例中，控制第一级多电平转换器在Vin_typ至Vin_min的一半范围中提供最佳的中间总线电压，作为第二级的输入。对于需要大幅降低或提高电源电压的特定应用程序，该操作窗口提高了效率。固定电压比转换器级通常较电压调节级具有更高的转换效率，在该技术中，可以包括降压转换器，升压转换器，多电平降压转换器，或多电平升压转换器。
为了提供最佳效率，由第一级的输出电压和第二级的输入电压组成的总线电压(Vbus)严格控制在一个特定的范围内。该转换器旨在在Vin_min至Vin_max的范围内接收输入电压。当第一级是多电平转换器级和降压转换器时，Vin_min大于典型的输入电压的一半，降压转换器用于使得调节的总线电压Vbus在典型的输入电压(Vin_min和Vin_max之间的V_typ)的一半和Vin_min的范围之间。当多电平转换器级包括升压转换器时，Vin_max小于两倍Vin_typ，升压转换器用于使得调节的总线电压在Vin_max至两倍Vin_typ的范围之间。
现在将参考附图描述本发明，这些附图通常涉及，例如可以在电信设备中使用的电力电路。例如，这里描述的电路可用于将电源电压转换为设备的可用电压。
图1示出了电子电路的第一实施例。电路10包括第一级，紧接着是第二固定电压比级200，第一级包括接收输入电压Vin的多电平DC-DC转换器级100。转换器级向负载(未示出)提供输出电压Vout。负载可以是需要DC电源电压的任何形式的设备，包括，例如，电信设备，计算设备或另一个电子电路(包括，例如，另一个转换器)。图2示出了电子电路的第二实施例。电路20包括第一级和第二级多电平DC-DC转换器级100，第一级包括接收输入电压Vin的固定电压比级200。在第二实施例中，Vout由多电平DC-DC转换器级100提供。
对于本文讨论的每个示例性多电平电压级实施例，和每个示例性固定电压比级实施例来说，输入和输出之间的级的顺序可以颠倒，如图1和图2所示。即，多电平电压级或固定电压比级可以包括第一级或第二级。
在一个实施例中，第一多电平转换器级100具有第一级输入并且包括第一级输出(Vbus)。Vbus是第一级中的调节的电压输出。第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在输入电压范围内。
第二固定电压比转换器级具有耦合到第一级输出的第二级输入,以接收调节的总线电压Vbus。第二级的输出用于输出包括转换器的输出的第二级输出电压(Vout)。
调节的总线电压由第二级输出电压Vout上的调节的总线电压Vbus的电压转换比率(“n”)定义。
一个实施例中的多电平转换器级包括降压转换器，当Vin_min大于Vin_typ/2时，该降压转换器提供范围在Vin_typ/2至Vin_min内的调节的总线电压Vbus。在另一个实施例中，多电平转换器级包括升压转换器，当Vin_max小于Vin_typ*2时，该升压转换器提供范围在Vin_max至Vin_typ*2间的调节的总线电压Vbus。
图3是图1中以方框形式示出的电路的一个实施例的示意图。图3示出了包括三电平降压转换器的第一级多电平转换器100a，和包括LLC谐振转换器的第二级固定电压比转换器200a。
降压转换器100a用于在输入电压范围内接收输入电压Vin，并提供调节的总线电压(Vbus)，用于第二级谐振转换器200a的输入。当Vin_min大于Vin_typ/2时，降压转换器级输出范围在Vin_typ/2至Vin_min内的调节的总线电压Vbus。
降压转换器100a用于提供等于或接近(10％以内)第二级的期望输出电压(Vout)与第二级的固定比率的乘积的Vbus。例如，对于12V的输出电压和2.5的固定电压比，Vbus大约为30V左右。在这个例子中，Vout可以在12V时调节，公差为，例如+/-3％。
降压转换器100a包括彼此串联耦合且与四个开关Q1-Q4并联的输入电容器Cin1和Cin2。开关Q1-Q4在本文中图示为MOSFET，但是可以在不背离技术性质的情况下利用替代开关技术。分别在开关Q1和Q2，以及Q3和Q4之间提供两个开关节点SWA和SWB。输出电感器Lb耦合在开关Q1和Q2之间。电感器Lb的输出以及Q3和Q4之间的抽头包括提供给第二级200a的级输出电压。
降压转换器100a由占空比D控制，并且三电平降压转换器100a的输出电压可以表示为Vbus＝D·Vin。电压转换比可以定义为N(tot)＝Vin/Vout，n1＝Vin/Vbus，和n＝Vbus/Vout。这样，N(tot)＝n1*n，其中，N(tot)是2级串联DC-DC转换器的电压转换比，n1是第一级DC-DC转换器的电压转换比，n是第二级DC-DC转换器的电压转换比。
在所有示出的实施例中，脉冲宽度调制(PWM)控制器(未示出)控制电压调节转换器级中的开关Q1-Q4的栅极电压和开关周期。固定电压比转换器级通常在非调节的和开环模式下工作，因此不需要PWM和闭环反馈控制。
图4-6示出了图3的第一级降压转换器100a的三个不同的输入电压的开关周期。图4示出了在输入范围36V中的最小值(Vin_min)处的Vin的开关周期。图5示出了在48V的典型电压Vin_typ处的Vin的开关周期，以及图6示出了75V的最大电压(Vin_max)处的Vin的开关周期。
在图4-6中，开关周期Ts在频率(fs)(Ts＝1/fs)上等于1。假定降压转换器100a的电路效率是100％，总线电压Vbus＝30V，那么降压转换器的占空比D如下：对于Vin＝Vin_min＝36V，D＝Vbus/Vin＝30V/36V＝0.8333；对于Vin＝Vin_typ＝48V，D＝Vbus/Vin＝30V/48V＝0.625；对于Vin＝Vin_max＝75V，D＝Vbus/Vin＝30V/75V＝0.4。
图4-6分别示出了开关Q1-Q4的栅极驱动电压Vg(Q1)-Vg(Q4)，Q1和Q2之间的连接节点SWA处的开关节点电压，Q3和Q4之间的连接节点SWB处的开关节点电压，以及电感器Lb中的电流iL。在本实施例中，Q1和Q4是控制开关，Q2和Q3是续流开关。
参考图4-6，在每个实例中，Q4的栅极驱动时序都从Q1的栅极驱动时序偏移Ts/2(即，Q4与Q1的栅极驱动时序异相180°)。Q2的栅极驱动时序与Q1互补；Q3的栅极驱动时序与Q4互补。Q1和Q4的导通占空比均为D；Q2和Q3的导通占空比均为1-D。
开关周期包括四级。例如，在图4中(参见图3中的电路图)，在从时间t＝0到t＝(D-1/2)*Ts的周期的第一级中，Q1和Q4导通，在开关节点SWA和SWB处显示Vin，并在电感器Lb中生成上升电流iL。在从t＝(D-1/2)*Ts到t＝Ts/2的第二级过程中，Q4关断，Q3导通，从而使得开关节点SWA和SWB之间的电压下降到Vin/2。这使电感器Lb断电。
在从t＝Ts/2到t＝D*Ts的第三级中，控制器导通Q4并关断Q3(Q1保持导通)，再次跨开关节点和电感器Lb电荷连接Vin。
最后，在从t＝D*Ts到Ts的第四级中，关断Q1并导通Q2(Q4保持导通)，从而使得SWA-SWB达到Vin/2。这使电感器再次断电，以为下一个周期做准备。
通过比较图4-6可以看出，占空比改变了级的持续时间，因而改变了提供给固定比电压级的总线输出电压(Vbus)。当降压变压器级100a用于上述配置中的操作时，降压转换器级100a输出范围在Vin_typ/2至Vin_min内的调节的总线电压Vbus，此时，Vin_min大于Vin_typ/2。
第二固定电压比级配置有LLC谐振转换器。参考图3中的电路图，第二级转换器包括在变压器TX1的初级侧上的全桥逆变器和谐振回路，以及在变压器TX1的次级侧上的全波同步整流器。电容器Cb耦合到第一级降压转换器100a的输出。全桥逆变器包括开关Q5-Q8，并耦合到谐振回路，谐振回路包括电感器Lr，电容器Cr，和变压器TX1的磁化电感Lm。谐振回路耦合到初级绕组P1。四个开关Q5-Q8形成一个具有两个支脚的全桥。开关Q5和Q6串联连接并共享第一公共节点，而开关Q7和Q8串联连接并共享第二公共节点。谐振回路连接到两个支脚的两个公共节点。
变压器TX1的次级侧为中心抽头。这种次级的中心抽头和两个开关Q9和Q10形成一个全波整流器。然后，可以将输出电压提供给负载(未示出)。
第二级固定电压比LLC谐振转换器200a的开关方案可以如下操作。在前半个周期内，开关Q5和Q8同时导通的时间略低于开关周期的50％。在这半个周期内，导通次级测上的开关Q9以作为同步整流器工作，并关断开关Q10。负载电流流经Q9。经过一段停滞时间之后，在第二个半周期内，开关Q6和Q7同时导通的时间相同。在第二个半周期中，在同步整流模式下导通次级测上的开关Q10，并关断开关Q9。负载电流流经Q10。结果，在交替的半周期中，将Vbus和-Vbus施加到变压器Tx1的初级侧。
在固定占空比控制方案中，开关Q5和Q8的导通时间可以等于开关Q6和Q7的导通时间。
如上所述，母线电压Vbus和输出电压Vout之间的固定电压比降压可以通过初级绕组P1和次级绕组S1，S2之间的匝数比产生。在一个实施例中，匝数比是针对转换器10，20的特定用途而优化的整数比。
在图3的实施例中，电压比转换器级200a可以配置为包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围。第二级的电压转换比(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min或n*Vout_min至Vin_min的较宽范围内。
如图4-6所示，总线电压Vbus恒定。
图7是示出根据该技术的转换器的第二实施例的示意图。在图7的实施例中，多电平转换器级是具有耦合在开关Q1和Q2以及Q3和Q4之间的快速电容器Cf的三电平降压转换器100b。在图7的实施例中，降压转换器级100b的开关周期又由四个级组成。取决于D<0.5或D>0.5，三电平降压转换器或升压转换器有两种工作模式。(D＝0.5在边界处，可以视为两种模式中的任一种)。
图8-10示出了图7的第一级降压转换器100a的三个不同的输入电压的开关周期。图8示出了在输入范围36V中的最小值(Vin_min)处的Vin的开关周期。图9示出了在48V的典型电压Vin_typ处的Vin的开关周期，以及图10示出了75V的最大电压(Vin_max)处的Vin的开关周期。应当注意，图8-10的控制时序图与具有输入电容分压器的三电平降压转换器的控制时序图非常相似(图4-6)。转换器级100b的Q2和Q4栅极驱动器相对于转换器级100a交换。
参考图10，以D＜0.5为例，在第一级中，导通Q1和Q3，在开关节点SWB处显示Vin/2，并且在电感器Lb通电时，电容器Cf充电。在第二级中，关断Q1，导通Q4，从而使得开关节点SWB接地。这使得电容器Cf断开，并且使电感器Lb断电。在第三级中，控制器关断Q3，导通Q2，将CF电容器直接连接到开关节点SWB和输入接地Vin-之间，释放Cf电容器电压，并为电感器Lb中的电感器电流充电。
最后，第四级关断Q2，导通Q3，将Q3直接通过Q4接地。这使得电感器断开连接，并使电感器再次断电，为下一个周期做准备。随着输入电压降低，控制器可以增加占空比，以将调节后的输出电压Vbus保持在本文所讨论的水平。
第二固定电压比级配置有与图3所示等效的LLC谐振转换器。第二级转换器如上述关于图3所讨论的那样工作。
图11示出了图1所示的DC-DC转换器的另一个实施例。在图11的实施例中，如上所述，多电平第一级包括增压转换器100c，而固定电压比级是LLC转换器200a。
在这一实施例中，第一多电平转换器级100c具有第一级输入并且包括第一级输出(Vbus)，该第一级输出是从第一级输出的调节的电压。第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在输入电压范围内。
调节的总线电压由第二级输出电压(Vout)上的调节的总线电压Vbus的电压转换比率(“n”)定义。
该实施例中的多电平转换器级是增压转换器，用于当Vin_max小于Vin_typ*2时，使得调节的总线电压在Vin_max至Vin_typ*2的范围之间。
图11中所示的转换器的开关方案允许当Q2和/或Q3导通时，对连接到输入电压的升压电感器Lb1和Lb2充电。当关断相关的开关(Q2和/或Q3)时，将存储在电感器中的能量传递到第二级200a。同时，将Q5至Q8切换为在LLC谐振回路上交替应用VBU和-VBU。开关Q2和Q3以及Q1和Q4相对于彼此具有180°的相移。
如在前述的实施例中一样，第二固定电压比级配置有与图3所示等效的LLC谐振回路200a。在一种配置中，电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围。电压转换比率可用于使得第二级的转换比率等于或大于Vin_max/Vout_min，以及升压转换器级可用于在Vin_max至Vin_typ*2或Vin_max至n*Vout_max的较宽范围内提供调节的总线电压。
图12示出了另一种固定电压比级配置，包括可以用于代替图3，7和8的实施例中的谐振转换器200c的移相全桥转换器200b。图13示出了可以代替图3，7和8的实施例中的谐振转换器200c的双有源桥转换器200c。这些可选的级中的任一个均在其输入(Vbus)和其输出之间提供固定电压比，并能够实现非常高的功率效率。
图14示出了如图2中的框形式所示的配置的电子电路的另一个实施例。在该实施例中，固定电压比转换器级包括第一级，而多电平转换器包括第二级。在该实施例中，固定电压比转换器是LLC谐振转换器200a，而多电平转换器包括降压转换器100a。
出于本文档的目的，应当注意，附图中描绘的各特征的维度可能未必是按比例绘制的。
出于本文档的目的，说明书中提及的“一实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“另一实施例”可被用于描述不同的实施例并且相同的实施例。
出于本文档的目的，连接可以是直接连接或间接连接(例如，经由一个或多个其它方)。在一些情况下，当元件被称为被连接或耦合到另一元件时，该元件可以直接连接到该另一元件，或通过中间元件间接地连接到该另一元件。当元件被称为被直接连接到另一元件时，则在该元件与该另一元件之间不存在中间元件。如果两个设备直接或间接连接，则它们“处于通信状态”，因而它们之间可以通信电子信号。
虽然已经参考特定的特征和实施例对本公开进行了描述，但显然的是，可以在不脱离本发明的前提之下，对本公开进行各种修改和组合。相应地，应当简单地将本说明书和附图认为是对所附权利要求所限定的本公开的示意，并且意在覆盖落入本公开的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同替换。
出于说明和描述的目的，呈现了前述详细描述。这并不旨在穷举本文所要求保护的主题或将其限于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所述实施例被选择以充分说明所本技术的原理及其实际应用，以由此使得本领域的其他技术人员能够充分利用各种实施方案中的并具有适合于所构想的特定用途的各种修改的本技术。范围由所附的权利要求进行定义。

Claims (23)

1.一种DC-DC转换器，包括：
第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且包括第一级输出的多电平转换器级，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在所述范围内，以及，所述多电平转换器级用于向所述第一级输出输出调节的总线电压；以及
第二转换器级，所述第二转换器级包括电压比转换器级，所述电压比转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述电压比转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；
所述调节的总线电压由所述第二级输出电压上的所述调节的总线电压的电压转换比率(“n”)定义；以及
其中，所述多电平转换器级包括降压转换器，所述降压转换器用于,当Vin_min大于Vin_typ/2时，使所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min的范围内，或者，所述多电平转换器级包括升压转换器，所述升压转换器用于,当Vin_max小于Vin_typ*2时，使所述调节的总线电压在Vin_max至Vin_typ*2的范围内。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述多电平转换器级包括降压转换器，并且Vin_min大于Vin_typ/2；
所述电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围；
所述第二级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及
所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min或n*Vout_min至Vin_min的较宽范围内。
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，
所述多电平转换器级包括升压转换器，并且Vin_max小于Vin_typ*2；
所述电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围；
所述第二级的所述电压转换比率等于或大于Vin_max/Vout_min；以及
所述调节的总线电压在Vin_max至Vin_typ*2或Vin_max至n*Vout_max的较宽范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压比转换器级包括开环隔离式LLC转换器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压比转换器级包括开环隔离式移相全桥转换器，双有源桥转换器等。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压转换比率“n”是固定的。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压转换比率“n”在固定比率的+/10％的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述DC-DC转换器的操作范围为Vin_min＝36V至Vin_max＝75V。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述DC-DC转换器的输出为12V+/-10％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述第一级多电平转换器级的转换效率在97.0％至99.0％的范围内。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的转换器，其中，所述第二级电压比转换器级的转换效率在97.5％至99.5％的范围内。
12.一种DC-DC转换器，包括：
第一多电平减压转换器级，所述第一多电平减压转换器级具有第一级输入并且包括第一级输出，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在所述范围内，以及，所述多电平转换器级用于向所述第一级输出输出调节的总线电压；以及
第二转换器级，所述第二转换器级包括隔离式电压比转换器级，所述隔离式电压比转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述电压比转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；以及
所述调节的总线电压由所述第二级输出电压上的所述调节的总线电压的电压转换比率(“n”)定义，所述减压转换器级用于,当Vin_min大于Vin_typ/2时，使得所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min的范围内。
13.根据权利要求12所述的转换器，其中，Vin_min大于Vin_typ/2；
以及，所述隔离式电压比转换器级具有包括最小输出电压(Vout_min)，典型输出电压(Vout_typ)，以及最大输出电压(Vout_max)的宽输出电压范围；
所述第二级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及
所述调节的总线电压在Vin_typ/2至Vin_min或n*Vout_min至Vin_min的较宽围内。
14.一种DC-DC转换器，包括：
第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且及包括第一级输出的电压比转换器级，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的宽范围内接收输入电压，典型电压(Vin_typ)在所述范围内，以及，所述电压比转换器级用于向所述第一级输出输出非调节的总线电压；以及
第二转换器级，所述第二转换器级包括多电平转换器级，所述多电平转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述非调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述多电平转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；所述输出电压的范围从最小输出电压(Vout_min)至具有典型输出电压(Vout_typ)的最大输出电压(Vout_max)；
所述非调节的总线电压由所述第一级的所述非调节的总线电压上的所述输入电压的电压转换比率(“n”)定义；
所述多电平转换器级包括降压转换器，并且，所述多电平转换器级的Vout_max小于Vout_typ*2；以及
所述第一级的所述电压转换比率(“n”)等于或小于Vin_min/Vout_max；以及
所述非调节的总线电压在Vout_max至Vout_typ*2或Vout_max至Vin_max/n的较宽围内。
15.根据权利要求14所述的DC-DC转换器，其中，所述电压比转换器级包括开环隔离式LLC转换器。
16.根据权利要求14述的DC-DC转换器，其中，所述电压比转换器级包括开环隔离式移相全桥转换器，双有源桥转换器等。
17.根据权利要求14至16任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压转换比率“n”是固定的。
18.根据权利要求14至17任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述电压转换比率“n”在固定比率的+/10％的范围内。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述DC-DC转换器的操作范围为Vin_min＝36V至Vin_max＝75V的。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述DC-DC转换器的输出为12V+/-10％。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的DC-DC转换器，其中，所述第一级电压比转换器级的转换效率在97.5％至99.5％的范围内。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的转换器，其中，所述第二级多电平转换器级的转换效率在97.0％至99.0％的范围内。
23.一种DC-DC转换器，包括：
第一转换器级，所述第一转换器级包括具有第一级输入并且包括第一级输出的电压比转换器级，所述第一级输入用于从最小电压(Vin_min)到最大电压(Vin_max)的宽范围内接收输入电压，具有典型电压(Vin_typ)，并且，所述电压比转换器级用于向所述第一级输出输出非调节的总线电压；以及
第二转换器级，所述第二转换器级包括多电平转换器级，所述多电平转换器级包括耦合到所述第一级输出的第二级输入，以接收所述非调节的总线电压，并且还包括第二级输出，所述多电平转换器级用于向所述第二级输出输出第二级输出电压(Vout)；所述输出电压的范围从最小输出电压(Vout_min)至具有典型输出电压(Vout_typ)的最大输出电压(Vout_max)；
所述非调节的总线电压由所述第一级的所述非调节的总线电压上的所述输入电压的电压转换比率(“n”)定义；
所述多电平转换器级包括升压转换器，并且，所述多电平转换器级的Vout_min大于Vout_typ/2；
以及
所述第一级的所述电压转换比率(“n”)等于或大于Vin_max/Vout_min；以及
所述非调节的总线电压在Vout_typ/2至Vout_min或Vin_min/n至Vout_min的较宽范围内。
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