CN114977781A - 混合功率转换器和功率转换 - Google Patents

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Abstract

本公开包括实施向负载供电的电压转换器的新颖方式。例如，电压转换器包括第一功率转换器和第二功率转换器。第一功率转换器产生源自输入电压的第一输出电流和中间电压。第一功率转换器将中间电压供应给第二功率转换器。第二功率转换器基于从第一功率转换器接收到的中间电压来产生第二输出电流。电压转换器的输出节点输出第一输出电流与第二输出电流之和，以产生输出电压。电源能够被配置为包括任何数目的多个并联电压转换器来向负载供电。

Description

混合功率转换器和功率转换
技术领域
本公开涉及一种混合功率转换器和功率转换，具体而言，涉及相应的装置和方法。
背景技术
顾名思义，常规开关电容DC-DC转换器将接收到的DC输入电压转换成DC输出电压。
在一个常规应用中，至常规开关电容转换器的输入电压落在40VDC到60VDC之间的范围内。在这种情况下，开关电容转换器中的开关被控制以传递存储在相应电容器中的电荷，从而针对所谓的常规4:1开关电容转换器将输入电压(诸如48VDC)转换成输出电压，诸如12VDC。换言之，常规开关电容转换器能够被配置为将48VDC电压转换成12VDC电压。
发明内容
清洁能源(或绿色技术)的实施方式对减少我们(例如人类)对环境产生的影响非常重要。一般而言，清洁能源包括任何演进方法和材料以减少能量消耗对环境的整体毒性。
本公开包括以下观察：诸如从绿色能源或非绿色能源接收到的原始能源通常需要在能够使用该原始能源来向终端设备(诸如服务器、计算机、移动通信设备、无线基站等)供电之前转换成适当的形式(诸如期望AC电压、DC电压等)。在某些情况下，能量被存储在相应的一个或多个电池资源中。无论能源是从绿色能源还是从非绿色能源接收到的，都需要最高效地利用由这种系统提供的原始能源(例如存储和后续分配)，以减少我们对环境产生的影响。本公开有助于减少我们的碳足迹并且经由较高效的能量转换来更好地使用能源。
本文中的实施例包括将功率提供给负载的新颖方式。
例如，本文中的实施例包括一种装置，诸如电源。该电源(或装置)包括：第一功率转换器，产生源自接收到的输入电压的中间电压(供应电压、辅助电压等)和第一输出电流。第一功率转换器将中间电压供应给第二功率转换器。第二功率转换器基于从第一功率转换器接收到的中间电压来产生第二输出电流。功率转换器的输出节点输出第一输出电流与第二输出电流的总和以产生输出电压。
在一个实施例中，中间电压的幅度低于输入电压的所有幅度。
根据其他示例实施例，输入电压将功率供应给第一功率转换器和第二功率转换器。第一功率转换器从由输入电压供应给电压转换器的功率的第一部分导出第一输出电流。第二功率转换器从由输入电压供应给电压转换器的功率的第二部分导出第二输出电流。
根据其他示例实施例，第一功率转换器和第二功率转换器两者都以与输入电压和输出电压相关联的公共接地参考电压为基准。
在又一些示例实施例中，第一功率转换器是已调节功率转换器；第二功率转换器是未调节功率转换器。备选地，第一功率转换器是未调节功率转换器；第二功率转换器是已调节功率转换器。
在又一些示例实施例中，第一输出电流的幅度大于第二输出电流的幅度。
本文中的其他实施例包括能量存储部件，该能量存储部件被耦合在第一功率转换器与第二功率转换器之间。能量存储部件执行一个或多个操作。例如，在一个实施例中，在相应控制周期的第一部分期间，能量存储部件促进将输入电压转换成第一输出电流。能量存储部件还在控制周期的第一部分期间被充电。在将输入电压转换成输出电压的相应控制周期的第二部分期间，能量存储部件将中间电压从能量存储部件提供(输出)到第二功率转换器。
根据其他实施例，第一功率转换器包括多个开关，该多个开关：i)在开关控制周期的第一部分期间，在第一功率转换器的串联电路路径中连接能量存储部件，以支持将输入电压转换成输出电压；以及ii)在开关控制周期的第二部分期间，将能量存储部件耦合到接地参考电压，并且将中间电压从能量存储部件输出到第二功率转换器。
本文中的又一些示例实施例包括控制器。在一个实施例中，控制器可操作以监测输出电压相对于设定点电压的幅度并且调整源自中间电压的第二输出电流的幅度以将输出电压的幅度维持在设定点电压处。
在一个实施例中，第一功率转换器或第二功率转换器是谐振功率转换器。
在又一些示例实施例中，第一功率转换器将中间电压(供应电压)从电容器输出到第二功率转换器，该电容器切换进第一功率转换器的谐振电路路径中，并且从第一功率转换器的谐振电路路径切换出来。在一个实施例中，电容器在第一模式下被充电，在第一模式下，电容器被切换到谐振电路路径中；电容器在第二模式下被放电，在第二模式下，电容器从谐振电路路径被切换出来。如本文中进一步讨论的，电容器在第二模式期间向第二功率转换器输出中间电压；第二功率转换器在第二模式期间将中间电压转换成第二输出电流。
在其他示例实施例中，第二功率转换器包括：第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被串联设置在能量存储部件(诸如电容器或其他合适的部件)与公共接地参考之间，该能量存储部件输出中间电压，该公共接地参考与第一功率转换器和第二功率转换器相关联。第二功率转换器还包括电感器，该电感器提供i)将第一开关和第二开关耦合的节点与ii)输出节点之间的连接性。
又一些示例实施例包括控制器，该控制器监测总和输出电流(诸如第一输出电流和第二输出电流)的幅度。该控制器调整第二输出电流的幅度，使得第一输出电流与第二输出电流的总和等于目标输出电流值。
本文中的其他实施例包括：调整第二输出电流的幅度，以使第一电压转换器的第一输出电流与第二输出电流的总和等于由第二电压转换器供应给负载的总电流的总和。在一个实施例中，第二电压转换器包括第三功率转换器和第四功率转换器，该第三功率转换器和该第四功率转换器有助于经由输出电压向负载供电。
本文中的又一些实施例包括能量存储部件，该能量存储部件被耦合在第一功率转换器与第二功率转换器之间。在相应控制周期的第一部分期间，能量存储部件将中间电压提供给第二功率转换器；在相应控制周期的第二部分期间，能量存储部件被充电。
在又一些示例实施例中，如本文中所讨论的电源包括控制器，该控制器可操作以调节输出电压相对于设定点电压的幅度。
这些和其他更具体的实施例在下文更详细地被公开。
应注意，尽管如本文中所讨论的实施例可适用于功率转换器，但本文中所公开的概念可以有利地被应用于任何其他合适的拓扑以及一般电源控制应用。
应注意，如本文中所讨论的资源中的任何资源能够包括一个或多个计算机化设备、控制器、移动通信设备、服务器、基站、无线通信装备、通信管理系统、工作站、用户装备、手持式或膝上型计算机等以进行和/或支持本文中所公开的方法操作中的任何方法操作或所有方法操作。换言之，一个或多个计算机化设备或处理器能够被编程和/或配置为如本文中所解释的一般运行以进行如本文中所描述的不同实施例。
本文中的又一些实施例包括软件程序以执行上文概述并且在下文详细公开的步骤和操作。一个这种实施例包括一种包括非暂时性计算机可读存储介质(即，任何计算机可读硬件存储介质)的计算机程序产品，软件指令在该非暂时性计算机可读存储介质上被编码以供后续执行。指令在具有处理器的计算机化设备(硬件)中被执行时对处理器(硬件)进行编程和/或使处理器(硬件)执行本文中所公开的操作。这种布置通常被提供为软件、代码、指令和/或其他数据(例如数据结构)，该软件、代码、指令和/或其他数据被布置或编码在非暂时性计算机可读存储介质(诸如光学介质(例如CD-ROM)、软盘、硬盘、记忆棒、存储器设备等)上或其他介质(诸如一个或多个ROM、RAM、PROM等中的固件)上，或被提供为专用集成电路(ASIC)等。软件或固件或其他这种配置能够被安装到计算机化设备上以使计算机化设备执行本文中所解释的技术。
因此，本文中的实施例涉及支持如本文中所讨论的操作的方法、系统、计算机程序产品等。
本文中的一个实施例包括一种在其上存储有指令的计算机可读存储介质和/或系统。这些指令在被计算机处理器硬件执行时使计算机处理器硬件(诸如一个或多个共同定位或不同定位的处理器设备)进行以下操作：控制第一功率转换器产生源自输入电压的第一输出电流；控制第二功率转换器基于从第一功率转换器接收到的供应电压(又名，中间电压)来产生第二输出电流；以及从电压转换器的输出节点输出第一输出电流与第二输出电流的总和以产生输出电压。
以上步骤的顺序已经出于清晰起见而被添加。应注意，如本文中所讨论的处理操作能够以任何合适的顺序执行。
本公开的其他实施例包括软件程序和/或相应硬件以执行上文概述并且在下文详细公开的方法实施例步骤和操作中的任何方法实施例步骤和操作。
应理解，如本文中所讨论，计算机可读存储介质上的系统、方法、装置、指令等也能够诸如在处理器(硬件或软件)内或在操作系统内或在软件应用内严格地被实施为软件程序；固件；软件、硬件和/或固件的混合体；或单独地实施为硬件。
如本文中所讨论，本文中的技术非常适合在实施一个或多个电感器部件以将电流递送给负载的领域中使用。然而，应注意，本文中的实施例不限于在这种应用中使用，并且本文中所讨论的技术也非常适合于其他应用。
另外，应注意，尽管本文中的不同特征、技术、配置等中的每个特征、技术、配置等可以在本公开的不同地方进行讨论，但预期在合适的情况下，概念中的每个概念能够可选地彼此独立或彼此组合地执行。因此，如本文中所描述的一个或多个本发明能够以许多不同方式实施和查看。
此外，应注意，本文中对实施例的这种初步讨论(对实施例的简要描述)有意不指定本公开或所要求保护的(多个)发明的每个实施例和/或递增新颖的方面。相反，这种简要描述仅呈现一般实施例和优于常规技术的新颖性的对应点。针对(多个)本发明的额外细节和/或可能视角(排列)，读者可参考如下文进一步讨论的本公开的详细描述部分(其是实施例的概述)和对应图。
附图说明
图1是图示了根据本文中的实施例的功率转换器的示例总图。
图2是图示了根据本文中的实施例的包括未调节功率转换器和已调节功率转换器的电压转换器的示例图。
图3是图示了根据本文中的实施例的包括已调节功率转换器和未调节功率转换器的电压转换器的示例图。
图4是图示了根据本文中的实施例的功率供应电路的部件的示例图。
图5是图示了根据本文中的实施例的包括多个电压转换器的并行实施方式的电源的示例图。
图6是图示了根据本文中的实施例的在多个混合功率转换器之间的电流共享的调节的示例图。
图7是图示了根据本文中的实施例的监测和调节来自多个电压转换器的电流的示例图。
图8是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的示例图。
图9是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的示例图。
图10是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的实施方式的示例图。
图11是图示了根据本文中的实施例的控制电压转换器的时序图的示例图。
图12是图示了根据本文中的实施例的电压转换器在第一模式下的操作的示例图。
图13是图示了根据本文中的实施例的在第一模式下运行的电压转换器的等效电路的示例图。
图14是图示了根据本文中的实施例的电压转换器在第二模式下的操作(死区时间操作)的示例图。
图15是图示了根据本文中的实施例的电压转换器在第三模式下的操作的示例图。
图16是图示了根据本文中的实施例的在第三模式下运行的电压转换器的等效电路的示例图。
图17是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的分析的示例图。
图18是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的示例图。
图19是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的示例图。
图20是图示了根据本文中的实施例的电压转换器的示例图。
图21是图示了根据本文中的实施例的执行方法的计算机处理器硬件和相关软件指令的示例图。
图22是图示了根据本文中的实施例的方法的示例图。
图23是图示了根据本文中的实施例的电源和相关电路系统的组件的示例图。
本发明的前述和其他对象、特征和优点将根据如附图中所图示的本文中的优选实施例的以下更具体的描述而变得显而易见，在附图中，相同附图标记贯穿不同视图指示相同部分。图式并不一定按比例绘制，而是将重点放在说明实施例、原理、概念等上。
具体实施方式
本文中的实施例包括实施向负载供电的电源(电压转换器)的新颖方式。例如，在一个实施例中，电压转换器包括第一功率转换器和第二功率转换器。第一功率转换器产生源自接收到的输入电压的中间电压和第一输出电流。第一功率转换器将中间电压供应给第二功率转换器。第二功率转换器基于从第一功率转换器接收到的中间电压来产生第二输出电流。电压转换器的输出节点输出第一输出电流与第二输出电流之和以产生输出电压。电源能够被配置为任何数目的一个或多个并联电压转换器，以向负载供电。
现在，更具体地，图1是根据本文中的实施例的包括多个功率转换器的功率系统(电源)的示例总图。
在该示例实施例中，电源100包括控制器140和电压转换器145。电压转换器145包括第一功率转换器121和第二功率转换器122。
第一功率转换器121产生中间电压135和第一输出电流125-1，该中间电压和该第一输出电流两者都源自输入电压120。第一功率转换器121将中间电压135供应给第二功率转换器122。第二功率转换器122基于从第一功率转换器121接收到的中间电压135(又名，供应电压、辅助电压等)来产生第二输出电流125-2。
电压转换器145的输出节点139输出第一输出电流125-1与第二输出电流125-2的总和，以产生输出电压123来向负载118供电。
因此，输出电压123将输出电流125(诸如输出电流125-1与输出电流125-2之和)供应给动态负载118。如本文中进一步讨论的，电压转换器145中的功率转换器中的一个功率转换器能够被配置为提供电压调节，使得输出电压123在期望范围内被调节。
在其他示例实施例中，中间电压135的幅度低于输入电压120的所有幅度。例如，中间电压135的幅度小于输入电压120的幅度。
如进一步示出的，在一个实施例中，第一功率转换器121和第二功率转换器122两者都以与输入电压120(诸如第一DC电压)和输出电压123(诸如第二DC电压)相关联的公共接地电压为基准。
还应注意，与电压转换器145相关联的功率转换器中的一个功率转换器能够是已调节功率转换器。例如，在一个实施例中，第一功率转换器121是未调节功率转换器；第二功率转换器122是已调节功率转换器。根据其他示例实施例，备选地，电压转换器145的第一功率转换器是已调节功率转换器121；电压转换器145的第二功率转换器是未调节功率转换器122。
由电压转换器145中的功率转换器中的每个功率转换器供应的电流的贡献能够根据实施例而变化。在一个实施例中，第一输出电流125-1的幅度大于第二输出电流125-2的幅度。
根据其他示例实施例，输入电压120将功率供应给第一功率转换器121和第二功率转换器122。第一功率转换器121使第一输出电流125-1源自由输入电压120供应给电压转换器145的功率的第一部分。第二功率转换器122使第二输出电流125-2源自由输入电压120供应给电压转换器145的功率的第二部分。
如图1中进一步示出的，电源100的实施例包括控制器140。在一个实施例中，控制器140监测输出电压123(诸如经由输出电压反馈信号)相对于设定点电压155的幅度。控制器140控制第一功率转换器121和第二功率转换器122的操作。例如，为了促进将输出电压反馈信号123-1(诸如输出电压123或源自输出电压123的信号)调节到期望设定点电压155，控制器140调整源自中间电压135的第二输出电流125-2的幅度，以将输出电压123的幅度维持在期望设定点电压155处或周围。
本文中的实施例的额外变型在下文进一步进行了讨论。
图2是图示了根据本文中的实施例的包括未调节功率转换器和已调节功率转换器的混合功率转换器的示例图。
如本文中所描述的实施例包括高带宽电压转换器145，该高带宽电压转换器提供电压调节、非常高的功率密度和高瞬变负载响应。电压转换器145还允许在整个功率转换中使用非隔离转换器。
在该示例实施例中，图2中的电源100(并且更具体地，电压转换器145)包括未调节功率转换器121-1。在这种情况下，功率转换器121-1接收输入电压120和对应输入电流120-1并且产生输出电压123。
在一个实施例中，电压转换器145的第二调节功率转换器122-1接收一个或多个中间电压135，该中间电压分别是如先前所讨论的输入电压120的部分。
功率转换器121-1基于输入电压120来产生输出电流125-1；功率转换器122-1基于中间电压135(诸如135-1、135-2等)来产生输出电流125-2。
进一步地，如先前所讨论，输出电流125是由功率转换器121-1产生的输出电流125-1与由功率转换器122-1产生的输出电流125-2的总和。
本文中的实施例能够从多个不同视角被理解。例如，首先，应注意，这种架构(电压转换器145和电源100)能够被视为ISOP概念(例如输入串行、输出并行)。功率转换器121-1和122-1共享公共输入电流120-1(或输入电压120)，并且分别使用输入电压120(输入电流120-1)的一部分来产生相应输出电流。功率转换器共享公共并行输出电压123并且分别有助于产生输出电流125。
根据其他实施例，电压转换器145的功率转换器在其输入端处不是严格串联的。经由中间电压135，调节功率转换器122-1接收输入电压123的部分，而未调节功率转换器121-1接收整个输入电压120。
此外，应注意，与经典ISOP配置相比，功率转换器121-1和功率转换器122-1两者共享相同GND参考。在一些方面中，如本文中进一步讨论的，电压转换器145的两个功率转换器彼此嵌入。
在一个实施例中，电压转换器145包括电容(诸如一个或多个电容器C11、C12、C13、C14等)，该电容被串联连接到未调节功率转换器121-1的相应输入级并且与未调节功率转换器121-1的输出级串联。如本文中进一步讨论的，该电容被并联连接到LC网络，该LC网络是未调节转换器122-1的一部分。
图3是图示了根据本文中的实施例的包括未调节功率转换器和已调节功率转换器的混合功率转换器的示例图。
在该示例实施例中，图3中的电源100包括已调节功率转换器121-2和未调节功率转换器122-2。
以与先前所讨论的类似的方式，功率转换器121-2产生输出电流125-1；功率转换器122-2产生输出电流125-2。输出电流125是由功率转换器121-2产生的输出电流125-1与由功率转换器122-2产生的输出电流125-2的总和。
图4是图示了根据本文中的实施例的功率供应电路的部件的示例图。
如先前相对于图2并且现在相对于图4所讨论的，调节功率转换器122-1接收供应电压135(又名，内部电压)，该供应电压是整个输入电压120的部分。这由输入级410、电容器435和输出级430的串联连接支持。该架构允许未调节功率转换器121-1和已调节功率转换器122-1共享相同参考GND。
在一个实施例中，如果电容器435(诸如所谓的储存电容器)两端的电压降低(例如因为调节功率转换器122-1汲取更多功率作为对负载118的正电流消耗瞬变的反应)，那么未调节转换器的输入级410两端的电压降增加。未调节转换器121-1因此自动将更多功率递送给负载118。在一个实施例中，电压转换器145包括正反馈，这是高带宽和对瞬变负载增加的快速反应的先决条件。
与常规技术相比，本文中的实施例允许已调节功率转换器122-1和未调节功率转换器121-1两者为非隔离的，这是由于两个级共享输出端的相同参考GND。
本文中的实施例的第三视角涉及部分功率的概念。例如，由于调节级122-1仅接收输入电压120的部分，因此功率转换器122-1需要处理(转换)由输入电压120供应的总功率的仅一部分以便提供对输出电压123的调节。
与仅实施将输入电压转换成输出电压的功率转换器(诸如降压转换器)相比，本文中的实施例包括将未调节功率转换器121-1设计为提供整个功率的重要部分(诸如根据输入电压120的范围和输出电压123的范围，经由输出电压123供应的总功率的55％到80％或其他合适的量)。在一个实施例中，未调节功率转换器121-1提供比功率转换器122-1更高的效率；然而，总效率增加了由未调节功率转换器122-1处理的更多功率，这是因为其阻抗在更高的电流输出处减小。还应注意，功率转换器122-1的益处是其提供以产生在期望电压范围内的输出电压123的调节。未调节功率转换器121-1具有高于功率转换器122-1的转换效率。
图5是图示了根据本文中的实施例的包括多个混合功率转换器(电压转换器)的并行实施方式的电源的示例图。
在常规多相降压转换器中，用于数字负载的转换器包括若干功率级，该若干功率级并联连接以便实现高效率和高瞬变性能。相比之下，经由所提出的电压转换器145，本文中的实施例在需要时提供高输出电流能力。
如图5中进一步示出的，本文中的实施例包括示例电源100，该示例电源包括整数值的N个电压转换器145(诸如电压转换器145-1、电压转换器145-2、……)，这些电压转换器并联布置以产生相应输出电压123。所提出的电压转换器145-1、145-2等中的每个电压转换器共享一个或多个输入电压120的使用，并且有助于生成输出电压123。
经由如本文中所描述的所提出的电压转换器145(诸如混合功率转换器)(其包括未调节功率转换器相位)，电源100能够被配置为支持有源电流共享，从而避免不同相位中的每个相位之间的任何电流不平衡。
例如，在一个实施例中，所提出的电压转换器145实施两种反馈机制。更具体地，已调节功率转换器通过对由控制器140生成的PWM信号的适当调制来控制(即，控制开关，诸如已调节转换器的场效应晶体管)，而相应的未调节功率转换器根据所谓的储存电容器C_(c_(i_k))两端的实际平均电压来改变其阻抗。如本文中进一步讨论的，储存电容器C_(c_(i_k))中的每个储存电容器两端的平均电压直接取决于已调节功率转换器的实际传递函数(即，在降压转换器中，其平均电压由占空比和实际输出电压V_out定义)。
图6是图示了根据本文中的实施例的经由有源电流共享控制环路调节在多个混合功率转换器之间的电流共享的示例图。
在该示例实施例中，控制器140包括调节器605和调节器610。
在操作期间，调节器610(诸如与控制器140相关联)监测由电压转换器中的每个电压转换器供应给负载118的电流(诸如来自已调节功率转换器的输出电流和来自未调节功率转换器的输出电流)的幅度。
在一个实施例中，调节器610为已调节功率转换器中的每个已调节功率转换器生成相应脉宽调制控制信号(诸如651、652、653等)，使得由对应电压转换器145-1、145-2等中的每个电压转换器供应的输出电流的总幅度(诸如电压转换器145-1的总电流iout1＝iout1-1+iout1-2、电压转换器145-2的iout2＝iout2-1+iout2-2等)相同或基本上相同，诸如在彼此的10％或更少以内。
在该示例实施例中，电流值out1-1表示由电压转换器145-1供应给负载118的输出电流125-1；电流值iout1-2表示由电压转换器145-1供应给负载118的输出电流125-2。电流值iout2-1表示由电压转换器145-2供应的输出电流125-1；电流值out2-2表示由电压转换器145-2供应的输出电流125-2，依此类推。
在一个实施例中，调节器610生成脉宽调制控制信号651以控制电压转换器145-1的功率转换器122中的开关的操作；调节器610生成脉宽调制控制信号652以控制电压转换器145-2中的功率转换器122中的开关的操作；依此类推。如下文进一步讨论的，控制器140确保来自电压转换器中的每个电压转换器的输出电流ioutl、iout2等基本上相同，从而在将输出电流供应给负载118的多个电压转换器145之间提供电流平衡。
图7是图示了根据本文中的实施例的监测来自多个混合功率转换器的电流的示例图。
在一个实施例中，由调节器610(诸如控制器140的一部分)提供的电流感测和控制可用于保护电源100免受短路事件或任何异常过流条件的影响，并且确保电压转换器145-1、145-2等中的每个电压转换器之间的平衡电流共享。
在该示例实施例中，再次参看图6和图7，不同电流感测，其能够处于每个电压转换器145的相应输出节点139上或/和处于已调节功率转换器122和非已调节功率转换器121两者上(诸如使用任何合适的电流感测方法)。
在一个实施例中，输出电压调节器605监测输出电压123的幅度并且将其与设定点电压155(Vref)进行比较。调节器605产生相应误差电压630，该相应误差电压被用作控制相应脉宽调制控制信号651、652等的设定基础，该相应脉宽调制控制信号控制相应功率转换器122的操作。
如先前所讨论，控制器140能够被配置为支持多个电压转换器145之间的电流共享。例如，在一个实施例中，调节器610接收信号iout1-1(诸如指示由第一电压转换器145-1的功率转换器121供应给负载118的输出电流125-1的幅度)、iout1-2(诸如由第一电压转换器145-1的第二功率转换器122供应给负载118的输出电流125-2的幅度)、iout2-1(诸如指示由第二电压转换器145-2供应给负载118的输出电流125-1的幅度)、iout2-2(诸如由第二电压转换器145-2供应给负载118的输出电流125-2的幅度)等。
在一个实施例中，调节器610监测每个电压转换器的输出电流的总和的幅度，并且将来自电压转换器中的每个电压转换器的总输出电流控制为基本上相同。
例如，控制器140的调节器610调整与电压转换器145-1相关联的输出电流125-2和与电压转换器145-2相关联的输出电流125-2的幅度，使得输出电流iout1、iout2等中的每个输出电流的幅度相同、并且等于目标输出电流值。
因此，本文中的实施例包括经由调节器610，调整与电压转换器145-1的已调节功率转换器相关联的输出电流125-2的幅度以使iout1(诸如电压转换器145-1的第一输出电流125-1与第二输出电流125-2之和)与iout2(诸如由相应的未调节功率转换器产生的第一输出电流125-1与由电压转换器145-2的已调节功率转换器产生的第二输出电流125-2之和)相等。换言之，在该示例实施例中，iout1-1+iout 1-2＝iout2-1+iout2-2＝……＝ioutn-1+ioutn-2，其中iout1-1+iout 1-2表示由电压转换器145-1供应的总电流，iout2-1+iout2-2表示由电压转换器145-2供应的总电流，依此类推。
图8是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的示例图。
在该示例实施例中，电压转换器145-8包括未调节功率转换器121-1(诸如混合开关电容转换器)、已调节功率转换器122-1(诸如降压转换器实施方式)。功率转换器122-1经由中间电压135-1和中间电压135-2提供输出电压123的电压调节，这些中间电压中的每个中间电压表示输入电压120的部分。
电压转换器145-8的所提出的拓扑的一个优点是由未调节功率转换器121-1提供非常高的效率并且经由已调节功率转换器122-1仅使用输入电压120的部分来提供输出电压调节能力。
如所示出，示例电压转换器145-8包括电压源Vin、功率转换器121-1和功率转换器122-1。
功率转换器121-1(装置，诸如硬件、电路系统等)包括多个开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6(诸如场效应晶体管或任何其他合适类型的开关)。另外，功率转换器121-1(诸如开关电容转换器)包括多个电路部件，包括电感器Lzvs、电容器Cres1和电容器Cres2。
进一步地，在该示例实施例中，功率转换器121-1的多抽头自耦变压器850包括初级绕组W1(诸如N1匝)、初级绕组W4(诸如N1匝)、次级绕组W2(诸如N2匝)和次级绕组W3(诸如N2匝)。与初级绕组和/或次级绕组相关联的绕组(N1、N2等)的数目能够是任何合适的值、并且根据实施例而变化。
在一个实施例中，多抽头自耦变压器850的初级绕组与次级绕组的组合串联连接。例如，初级绕组W1与次级绕组W2串联连接；次级绕组W2与次级绕组W3串联连接；次级绕组W3与初级绕组W4串联连接。
根据其他实施例，次级绕组(诸如抽头次级绕组或串联连接的多个次级绕组)电感耦合到初级绕组。换言之，如所示出，第一初级绕组W1、第二初级绕组W4和(多个)次级绕组W2和W3彼此磁耦合。若需要，次级绕组W2和W3能够是中心抽头绕组，该中心抽头绕组促进从中心抽头绕组的相应输出端生成输出电压123。
进一步地，在该示例实施例中，开关Q1的漏极节点(D)和开关Q4的漏极节点(D)被连接到输入电压源Vin。
进一步地，开关Q1的源节点(S)耦合到开关Q2的漏极节点(D)(节点213)。开关Q4的源节点(S)耦合到开关Q5的漏极节点(D)(节点214)。开关Q2的源节点(S)耦合到节点211(又名，节点VN1)。开关Q5的源节点(S)耦合到节点212(又名，VN2)。
电容器Cres1被连接在节点213与初级绕组W4的相应节点之间。电容器Cres2被连接在节点214与初级绕组W1的相应节点之间。
电感器Lzvs被耦合在节点211与212之间。
开关Q3的漏极(D)被连接到节点215(又名，节点VN11)；开关Q3的源极(S)被连接到接地。开关Q6的漏极(D)被连接到节点216(又名，VN21)；开关Q6的源极(S)被连接到接地。
电容器Cc1被连接在节点211与节点212之间。电容器Cc2被连接在节点212与节点216之间。
次级绕组162的中心抽头(com或公共节点)输出电流Iout1(又名，输出电流125-1)和对应输出电压123以驱动负载118(又名，Ro)。
在一个实施例中，输出电压123的幅度是Vin/8。因此，如果Vin＝48VDC，那么输出电压123的幅度是6伏。然而，如本文中所讨论，电源100中的部件的设定能够被调整以产生任何合适的值的输出电压123(Vout)。
一般而言，输出电压123，Vout＝Vin*(N2/(2*(2N2+N1)))，其中N1＝变压器850的初级绕组上的匝数，并且N2是变压器850的次级绕组中的每个次级绕组上的匝数。
进一步地，在该示例实施例中，由控制器140生成的控制信号S1驱动相应开关Q1、Q3和Q5的栅极(G)。因此，控制信号S1控制开关Q1、Q3和Q5中的每个开关的状态。
控制信号S2驱动开关Q2、Q4和Q6的相应栅极(G)。因此，控制信号S2控制开关Q2、Q4和Q6中的每个开关的状态。
应注意，如本文中所描述的开关中的每个开关能够是任何合适的设备，诸如(金属氧化物半导体)场效应晶体管、双极结型晶体管等。
电容器Cres1和Cres2的设定能够是任何合适的值。在一个实施例中，如本文中所描述的电压转换器135在Cres1＝Cres2时提供更好的性能，并且即使Cres1≠Cres2也能很好地工作。
在一个实施例中，可选地存在与多抽头自耦变压器850并联的额外电感(诸如电感器Lzvs)以实现一个或多个开关Q1到Q6的零电压切换(ZVS)。如下文进一步讨论的，Lzvs电感备选地能够被集成在多抽头自耦变压器850(诸如在相应核心中具有间隙或使用具有较低磁导率的核心)。
如先前所讨论，功率转换器121中的开关被划分成两个开关组：第一开关组包括由相应控制信号S1控制的开关Q1、Q3和Q5，并且第二开关组包括由相应控制信号S2控制的开关Q2、Q4和Q6，该控制信号S2通常为相对于控制信号S1的时序的180度相移。
在一个实施例中，控制信号S1和S2的脉宽调制大约为50％以获得最小RMS电流。
输出电压123的幅度取决于(初级绕组与次级绕组的绕组比率N1/N2的#)匝数。在一个实施例中，切换频率并未直接改变输出电压的幅度，但一般而言，一直在改变该幅度，这是因为损耗是基于Fres与Fsw之间的差而增加或减少的，其中Fres是由Cres1或Cre2形成的槽的谐振频率以及在Cres1＝Cres2时多抽头自耦变压器的泄漏。
本文中的实施例包括：利用多抽头自耦变压器850的泄漏电感Lk来在不同控制周期期间对电容器Cres1和Cres2进行(软)充电。例如，在一个实施例中，与经典LLC拓扑相比，电容器Cres1和Cres2充当飞跨电容器，从而使得能够在初级侧使用较低电压场效应晶体管。
还应注意，一个使得所提出的电压转换器145有高效率和高功率密度的因素是能够实施较低额定电压场效应晶体管和实施II类陶瓷电容器(诸如电容器Cres1和Cers2)，该II类陶瓷电容器固有地提供高电容密度。
如进一步示出的，电压转换器145-8包括功率转换器122。功率转换器122(诸如降压转换器)包括开关Q7、Q8和Q9。开关Q7被连接在节点211与节点839之间；开关Q8被连接在节点212与节点839之间。Q9被连接在节点839与接地之间。对应电感器Lout被连接在节点839与变压器850的中心抽头节点(公共)之间。
图9是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的示例图。
图9中的电压转换器145是图8中的拓扑的等效电路。图9中的电压转换器145包括两个储存电容器，这些储存电容器被串联放置在未调节功率转换器121-1的方便节点之间。例如，储存电容器Cc1被设置在节点VN1与VN11之间；储存电容器Cc2被设置在节点VN2与VN21之间。
如先前所讨论，储存电容器Cc1和谐振电容器Cc2将源电压(储存电容器Cc1将中间电压135-1供应给功率转换器121，储存电容器Cc2将中间电压135-2供应给功率转换器122)提供给已调节功率转换器122-1，其中GND路径由开关Q3或开关Q6中的任一者闭合，这取决于电压转换器145的PWM信号相位。
如图8中所示出，与图9相比，储存电容器Cc1和Cc2被串联放置在相应开关Q2、Q3与Q5、Q6之间。更具体地，储存电容器Cc1串联驻留在开关Q2与开关Q3之间；储存电容器Cc2串联驻留在开关Q5与开关Q6之间。
储存电容器Cc1和Cc2的位置允许从未调节功率转换器121-1和已调节功率转换器122-1两者到GND的相应直接路径，并且允许存储用作已调节功率转换器122的电压源的能量(诸如中间电压135-1和中间电压135-2)。
如本公开中稍后将示出的，储存电容器Cc1和储存电容器Cc2备选地被设置成与功率转换器121-1的LC谐振回路和与功率转换器122-1的输出电感L_out(即，向负载供电)串联。
现在，参考图8和图9两者，电压转换器145包括：
-未调节功率转换器121-1，诸如开关电容转换器：由交错式飞跨电容器结构Cres1和Cres2形成，该交错式飞跨电容器结构被连接到多抽头自耦变压器850。添加与多抽头自耦变压器并联的额外电感器Lzvs，以实现所有开关的零电压切换(ZVS)，该额外电感器也能够被集成在MTA中以达到更高的功率密度。
在一个实施例中，所有开关都能够被划分成两个开关组：第一开关组由Q1、Q3和Q5形成(由如图11中所示出的控制逻辑PWM_H或信号S1驱动)，并且第二开关组(开关Q2、Q4和Q6)由相对于具有相同占空比的第一组的180°相移的PWM(如图11中所示出的控制逻辑PWM_L或信号S2)控制。功率转换器121以理想地接近50％的固定占空比运行以获得最小RMS电流。如先前所讨论，添加两个额外储存电容器Cc1和Cc2以充当已调节功率转换器122-1的源电压(中间电压135)。如先前所讨论，储存电容器Cc1串联驻留在开关Q2与Q3之间，并且储存电容器Cc2驻留在开关Q5与开关Q6之间。
-已调节功率转换器122-1(诸如降压转换器)包括：3个开关Q7(参看图11，由控制逻辑PWM_H1或信号S3驱动)、开关Q8(参看图11，由控制逻辑PWM_H2或信号S4驱动)和开关Q9(参看图11，由控制逻辑PWM_(L_1,2)或信号S5驱动)和输出电感L_out。开关Q7和Q8是高侧(或控制)开关，该高侧开关共享相同的同步开关(又名，低侧开关Q9)的使用。
在一个实施例中，在没有已调节功率转换器122-1的情况下，图8中的电压转换器145-8无法运行，这是由于储存电容器Cc1和Cc2将充当DC阻断阻抗。换言之，在一个实施例中，功率转换器122从这些储存电容器Cc1和Cc2连续或重复地汲取功率。
图10是基于图8中所示出的电路的所提出的电压转换器145的控制系统的示例。
如图10中所描绘，电源1000能够被配置为包括具有输出电压、Vout和/或输出电流Iout信息的闭环控制(即，下垂功能实施的)。在一个实施例中，输出电流Iout是未调节功率转换器121-1和已调节功率转换器122-1的电流之和。基于图8中所描绘的电压转换器，已调节功率转换器122-1包括两个降压级，这两个降压级相移了180°，共享相同电感L_out和相同低侧FET(即，也能够被识别为具有两个输入端子的单降压转换器，这是由于两个高侧FET正在共享相同输出电感L_out)。如本文中所描述，已调节功率转换器122由PWM_H1(控制信号S3)、PWM_H2(控制信号S4)和PWM_(L_1,2)(控制信号S5)控制，其中占空比调制经由控制器140实施以将输出电压123的幅度维持在期望范围内。
图11是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的控制的示例图。
在一个实施例中，如本文中所描述的未调节功率转换器和已调节功率转换器与由控制器140生成的控制信号同步。这是由SYNC块级实现的。如图11的时序图1100中所示出，控制信号PWM_H(S1)的上升沿与控制信号PWM_H1(S3)的上升沿同步，诸如在时间T0、T10等；控制信号PWM_L(S2)的上升沿与控制信号PWM_H2(S4)的上升沿同步，诸如在时间T5、T15等。
在这种情况下，电压转换器145正在固定切换频率f_sw下运行，但也能够被控制在窄频率范围内，以提高未调节功率转换器122的稳态效率。
如本文中所描述的电压转换器145在如下文所讨论的图11中的不同时间在不同模式下运行。
图12是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器在第一模式下的操作的示例图。
以下对模式的讨论参考了包括图11的多个图。
t0到t1：在时间＝t0，控制器140在ZVS中将开关Q1、Q3和Q5控制为接通状态，并且第一次谐振变换发生在谐振电容器C_res1与多抽头自耦变压器850的泄漏电感之间，而第二次谐振变换发生在谐振电容器C_res2与变压器850(又名，MTA)的泄漏电感之间。用于该操作模式的电压转换器145的对应操作被示出在图12中。在这种模式下，电容器C_res1根据如图13中所示出的等效电路中所示出的输入电压120进行软充电。谐振电容器C_res2正在被放电，从而引起储存电容器C_c2的充电，在这种模式下，该储存电容器未被连接到已调节功率转换器。
如图13中所示出，基于在子区间t0到t3期间的等效电路，以下等式是有效的：
Figure BDA0003508589960000211
Figure BDA0003508589960000212
考虑到电感器Lout上的通量平衡和等效总占空比Dtot＝2*d，得出
Figure BDA0003508589960000213
考虑到Vcres1＝Vcres2，获得以下从输入到输出的传递函数，其组合了等式(1)和等式(2)：
Figure BDA0003508589960000214
如从等式(3)能够看出，输出电压123(又名，Vout)由已调节功率转换器122的占空比直接控制。
1.t1到t2：在t＝t1，控制器140关闭开关Q7，电流(功率)停止从储存电容器CC1流到功率转换器122。在该阶段(即，模式)期间，谐振电容器Cres1仍然根据输入电压源Vin软充电到中间电压，并且谐振电容器Cres2仍然正被放电，引起储存电容器Cc2(又名，箝位电容器)的充电。
2.t2到t3：在t＝t2，控制器140在从t＝t1开始的、持续时间为Tdead的死区时间之后打开开关Q7，以避免与开关Q7的交叉导通。在t＝t2之后，电感电流正在流过开关Q9，并且输出电感器Lout被放电以产生输出电压123，Vout。在该阶段期间，电容器Cres1仍然根据输入电压源Vin进行软充电，并且Cres2仍然正被放电，引起电容器Cc2的充电。
3.t3到t4：在t＝t3，控制器关闭开关Q1、Q3和Q5，并且Q1的寄生电容被充电到
Figure BDA0003508589960000221
Q3被充电到2Vout，Q5被充电到
Figure BDA0003508589960000222
而Q2、Q4和Q6的寄生电容使用t＝t3时存储在Lzvs电感器中的电感能量被放电到零。当Q2、Q4和Q6的电容被放电到零时，它们的体二极管开始导通以使得ZVS能够打开。该状态被示出在现在于图14中所报告的。在该阶段期间，输出电感仍然被放电以产生输出电压Vout，并且Q9接通。启用ZVS操作的电流
Figure BDA0003508589960000223
被表示为
Figure BDA0003508589960000224
并且由以下等式给出：
Figure BDA0003508589960000225
图13图示了在时间t0到t3之间的阶段期间谐振回路的等效电路。如图13中所描绘，储存电容器Cc2与谐振电容器C_res2串联，在假设Cc2＝Cc1＞＞Cres2＝Cres1的情况下，谐振变换不被视为受电容器Cc2影响。
在t＝t_0时，已调节功率转换器(降压转换器)的开关Q7也经由控制器140打开，从而对储存电容器Cc1进行放电，同时通过具有电流变化的输出电感器L_out来向负载118供电，该电流变化取决于储存电容器Cc1两端的电压和实际输出电压123。
考虑到在图13中所示出的子区间t0到t3期间的等效电路，以下等式是有效的：
Figure BDA0003508589960000231
Figure BDA0003508589960000232
考虑到电感器Lout上的通量平衡和等效总占空比Dtot＝2*d，得出
Figure BDA0003508589960000233
考虑到Vcres1＝Vcres2，获得以下从输入到输出的传递函数，其组合了等式(1)和等式(2)：
Figure BDA0003508589960000234
如从等式(3)能够看出，输出电压123由已调节功率转换器122-1的占空比直接控制。
4.t1到t2：在＝t1，开关Q7经由控制器140关闭，功率(电流135-1)停止从储存电容器CC1流到功率转换器122(降压级)。在该阶段期间，Cres1仍然根据输入电压源Vin进行软充电，并且Cres2仍然正被放电，将箝位储存电容器Cc2充电到中间电压值。
5.t2到t3：在＝t2，开关Q9在从t＝t1开始的、持续时间为Tdead的死区时间之后打开，以避免与开关Q7的交叉导通。在t＝t2之后，电感电流正在流过开关Q9，并且输出电感器Lout被放电以产生输出电压Vout。在该阶段期间，Cres1仍然根据输入电压源Vin进行软充电，并且Cres2仍然正被放电，对箝位电容器Cc2进行充电。
6.t3到t4：在t＝t3，开关Q1、Q3和Q5经由控制器140关闭，并且Q1的寄生电容被充电到
Figure BDA0003508589960000235
Q3被充电到2Vout，Q5被充电到
Figure BDA0003508589960000241
而Q2、Q4和Q6的寄生电容使用t＝t3时存储在Lzvs电感中的电感能量被放电到零。当Q2、Q4和Q6的电容被放电到零时，它们的体二极管开始导通以使得ZVS能够打开。该拓扑状态被示出在图14中。在该阶段期间，输出电感Lout仍然被放电以产生输出电压Vout，并且Q9接通。启用ZVS操作的电流
Figure BDA0003508589960000242
被表示为
Figure BDA0003508589960000243
并且由以下等式给出：
Figure BDA0003508589960000244
7.t4到t5：在t＝t4，开关Q9关闭以避免与Q8交叉导通。在该阶段期间，未调节转换器上的ZVS尚未最终确定，这是因为通常
Figure BDA0003508589960000247
8.t5到t6：在t＝t5，开关Q8在从t＝t4开始的、持续时间为Tdead的死区时间之后经由控制器140打开，以避免与开关Q7的交叉导通。现在，输出电感Lout在取决于储存电容器Cc2两端的电压和实际输出电压Vout的斜率下被充电。在该阶段期间，Cc2被放电，而与Cres1串联充电。在该阶段中，开关Q2、Q4和Q6也经由ZVS打开。在t＝t5之后，谐振变换发生在Cres1与多抽头自耦变压器850的泄漏电感之间，而第二谐振模式变换发生在Cres2与多抽头自耦变压器850的泄漏电感之间。类似于阶段t0到t3，但不同地，Cres2根据输入电压源Vin进行软充电，而Cres1被软放电。这种状态被示出在图15中。图16示出了如先前所讨论的子区间t5到t8期间的等效电路。
图16是图示了根据本文中的实施例的在第三模式下运行的混合功率转换器的等效电路的示例图。
基于图16中所示出的所提出的电压转换器145的等效谐振电路，能够导出以下等式：
Figure BDA0003508589960000245
Figure BDA0003508589960000246
考虑到电感器Lout上的通量平衡和等效总占空比Dtot＝2*d，得出
Figure BDA0003508589960000251
在VCres1＝VCres2的情况下，相同等式(如在等式(3)中导出的)也能够在该阶段期间被计算。因此，考虑到t0到t3与t5到t8之间的阶段，所提出的转换器是双相谐振转换器，如等式3中所展示。
9.t6到t7：在t＝t6，开关Q8经由控制器140关闭，并且电流135-2停止从储存电容器CC2流到功率转换器122(降压级)。在该阶段期间，Cres2仍然根据输入电压源120进行软充电，并且Cres1仍然正被放电，引起对箝位电容器Cc1进行充电。在该阶段期间，Cres2仍然根据输入电压源Vin进行软充电，并且Cres1仍然正被放电，引起对箝位电容器Cc1的充电。
10.t7到t8：在t＝t7，开关Q9在从t＝t6开始的、持续时间为Tdead的死区时间之后经由控制器140打开，以避免与开关Q8的交叉导通。在时间t＝t7之后，电感电流流过开关Q9，并且输出电感器Lout被放电以产生输出电压Vout。在该阶段期间，电容器Cres2仍然根据输入电压源Vin进行软充电，并且Cres1仍然正被放电，引起箝位电容器Cc1的充电。
11.t8到t9：在t＝t8，开关Q2、Q4和Q6经由控制器140关闭，并且开关Q4的寄生电容被充电到
Figure BDA0003508589960000252
开关Q6被充电到2Vout，开关Q2被充电到
Figure BDA0003508589960000253
而Q1、Q5和Q3的寄生电容使用t＝t8时存储在Lzvs电感中的电感能量被放电到零。当Q1、Q5和Q3的电容被放电到零时，它们的对应体二极管开始导通以使得ZVS能够打开。该状态被示出在图14中。在该阶段期间，输出电感仍然以输出电压Vout放电，并且Q9接通。启用ZVS操作的电流
Figure BDA0003508589960000254
被表示为
Figure BDA0003508589960000255
由以下等式给出：
Figure BDA0003508589960000256
启用ZVS的电流是
Figure BDA0003508589960000261
其与
Figure BDA0003508589960000262
对应。因此，
Figure BDA0003508589960000263
是在针对所有开关达到ZVS条件时建立的良好指标。
12.t9到t10：在t＝t9，开关Q9经由控制器140关闭以避免与开关Q7的交叉导通。在该阶段期间，未调节功率转换器上的ZVS换向尚未被最终确定，这是因为通常
Figure BDA0003508589960000264
在t＝t11，开关Q1、Q3和Q5在ZVS中打开并且开关Q7打开，这与切换时段Tsw的一个周期对应。
参考图11，时间T0与T10之间的时间(切换时段)表示第一控制周期；时间T10与T20之间的时间(切换时段)表示第一控制周期；依此类推。激活与功率转换器121-1相关联的开关Q1到Q6的占空比是固定的。激活开关Q7、Q8和Q9的占空比根据负载118的电流消耗随着时间而变化。
再次参看图8到图11以及其他图，本文中的实施例包括能量存储部件(诸如储存电容器Cc1、电容器Cc2)。该能量存储部件被耦合在第一功率转换器121与第二功率转换器122之间。能量存储部件执行多个操作。例如，在相应控制周期(在T0与T10之间)的第一部分(诸如在时间T0与时间T3之间)期间，能量存储部件(储存电容器Cc2)促进经由激活开关Q1、Q3和Q5将输入电压120转换成第一输出电流125-1。在这种情况下，储存电容器Cc2是谐振电路路径的一部分，该谐振电路路径包括节点VN2与节点VN21之间的储存电容器Cc2。在将输入电压120转换成输出电压123的相应控制周期的第二部分(诸如在时间T5与T8之间)期间，节点VN21经由开关Q6接通被连接到接地。在这种情况下，能量存储部件(储存电容器Cc2)通过开关Q8将中间电压135-2从能量存储部件提供(输出)到第二功率转换器122。如先前所讨论，中间电压135-2(电流)充当供应电压(供应电流)，该供应电压通过激活的开关Q8使电感器Lout通电，以产生输出电流125-2和对应的已调节输出电压123。
相反，在相应控制周期(在T0与T10之间)的第二部分(诸如在时间T5与时间T8之间)期间，能量存储部件(储存电容器Cc1)促进经由激活开关Q2、Q4和Q6将输入电压120转换成第一输出电流125-1。在这种情况下，储存电容器Cc1是节点VN1与节点VN11之间的谐振电路路径的一部分。在将输入电压120转换成输出电压123的相应控制周期的第一部分(诸如在时间T0与T3之间)期间，节点VN11经由开关Q7接通被连接到接地。在这种情况下，能量存储部件(储存电容器Cc1)通过开关Q7将中间电压135-1从能量存储部件(储存电容器Cc1)提供(输出)到第二功率转换器122。如先前所讨论，中间电压135-1(或电流)充当供应电压(或供应电流)，该供应电压通过激活的开关Q8使电感器Lout通电，以产生输出电流125-2和对应的已调节输出电压123。
根据其他示例实施例，如先前所讨论，第二功率转换器122-1包括开关Q7和开关Q9，该开关Q7和该开关Q9被串联设置在储存电容器Cc1的节点VN1与公共接地参考之间，该公共接地参考与第一功率转换器121-1和第二功率转换器122-2相关联。第二功率转换器122-1还包括电感器Lout，该电感器被设置在节点839(其将开关Q7和开关Q8耦合)与输出节点139之间。
图17是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的分析的示例图。
如所示出，电压转换器145-17在输出电压123的电流变化期间实现输出电压调节。存在两种反馈机制：
1.来自闭环控制的反馈，该闭环控制充当常规控制方法(即，降压转换器中的占空比调制)。在一个实施例中，由控制器140实施的闭环控制增加了PWMH1驱动开关Q9和PWMH2驱动开关Q10的占空比，以增加输出电压123并且补偿输出电压123的降低。
2.在出现正负载阶跃(诸如负载118的电流消耗瞬变增加)的情况下，输出电压123降低。在一个实施例中，大部分额外输出电流125将由未调节功率转换器121-1提供。由于降压功率转换器122-1在这种条件期间增加其占空比，因此储存电容器Cc1和Cc2的平均电压降低。储存电容器Cc1和Cc2两端的电压降低由于输入电压120与输出电压123的实际比率的偏移而增加了由未调节功率转换器121-1汲取的功率。因此，这种补偿降低了未调节功率转换器121-1的实际阻抗，从而增加了实际负载电流125，诸如iout1(即，未经调节级的输出电流)。
未调节转换器的自适应死区时间控制
如以上等式(4)和等式(7)中所报告，定义ZVS能力的能量取决于输出电压123。为了在所有条件下实现ZVS(零电压切换)，对Tdead-HSC的死区时间进行有源调制有助于在整个输出电压范围内保持高效率。在一个实施例中，如本文中所描述的系统实施已调节输出电压123与Tdead-HSC之间的直接相关性。这种战略能够被应用于需要零电压切换战略的所有未调节转换器。
改变未经调节级的分频比率以提高宽输入电压条件下的调节能力
如等式(3)中所报告，图8中所描绘的所提出的转换器表明电压调节能力直接取决于已调节级的占空比。从整体效率视角来看，可能期望仅使用输入电压120的一小部分来调节输出电压123。在大输入电压120范围的情况下，可能需要分多个步骤调整未调节功率转换器级的分频比率，以使储存电容器Cc1和Cc2两端的电压始终保持在合理的电压窗口范围内。这种调整能够通过例如将开关提供给MTA以在内部电压带外部的输入电压处激活不同变压器比率来完成。
新颖混合Sigma转换器中所使用的备选的未调节转换器
如先前所讨论，未调节功率转换器122级能够被设计为具有若干种不同未调节拓扑。
当将所提出的电压转换器145发展成更普遍的转换器提议时，存在要考虑的两个关键方面。在一个实施例中，嵌入式储存电容器Cc1或Cc2需要周期性地被充电和放电，以根据本文中的实施例运行。首先，调节功率转换器122从相应储存电容器汲取周期性功率(诸如经由中间电压135)并且将该功率递送给负载118。
其次，在一个实施例中，每个储存电容器的充电需要用在放电周期期间从电容器耗尽的能量被精确地再填充。本文中的实施例包括谐振充电周期，其在无需进一步调节的情况下用所需的能量自动再填充储存电容器：在更深度放电的情况下，谐振电感器两端的驱动电压更高，从而产生更陡峭的di/dt和更高的峰值电流脉冲。在较低放电下，该原理工作，反之亦然。
然而，根据本文中的实施例，可以使用非谐振充电周期。在这种情况下，控制器(诸如调节电路)调节储存电容器中的每个储存电容器两端的电压并且使其保持在期望带内。
图18是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的示例图。
如先前所讨论，储存电容器的引入是所提出的电压转换器145中的主要修改。实际上，在一个实施例中，功率转换器121在没有调节的情况下执行从输入电压120到输出电压123的4:1转换；然而，根据本文中的实施例，调节能力将该比率增加到大于输入与输出的比率4。
在图18中，电压转换器145被实施为开关电容双向谐振转换器，作为未调节功率转换器121。未调节功率转换器122通过设计，通过使两个绕组完全耦合并且在具有相同匝的情况下以固定比率转换执行。
在图18中，未调节功率转换器121是双相混合谐振开关电容转换器。如所提及，在一般实施例中，电压转换器145包括两个普通块：未调节转换器121和已调节转换器122。
-未调节功率转换器121，诸如开关电容转换器：由连接到自耦变压器的交错式飞跨电容器结构组成(即，具有带所连接的N1匝的两个绕组，如图20中所示出)。添加了与自耦变压器并联的额外电感，以实现所有开关的零电压切换(ZVS)。该电感能够被集成在自耦变压器(即，作为磁化电感)中。所有开关能够被划分成两个开关组：第一开关组由Q1、Q3和Q5(如图11中所示出的控制逻辑PWMH)形成，并且第二开关组(Q2、Q4和Q6)由相对于具有相同占空比的第一组的180°相移的PWM信号(如图11中所示出的控制逻辑PWML)控制。转换器以理想地接近50％的固定占空比(控制功率转换器121)运行以获得最小RMS电流。如先前所讨论，添加了两个额外储存电容器Cc1和Cc2以分别在Q2 Q3与Q5 Q6之间充当已调节级的源电压。
-已调节功率转换器122：包括3个开关Q7(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000301
)、Q8(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000302
)和Q9(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000303
)和输出电感Lout。开关Q7和Q8充当共享相同MOSFET低侧Q9的高侧FET。
图19是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的示例图。
为了针对图18中所报告的转换器的开关提供更好的优质因子(FOM)，在图19中提出了备选解决方案。例如，本文中的实施例包括电压转换器145，该电压转换器以混合开关电容双相谐振转换器作为未调节功率转换器级来实施。未调节功率转换器通过设计，通过使两个绕组与相同匝完全耦合以固定比率转换执行。
-未调节功率转换器电路121：由连接到自耦变压器的交错式飞跨电容器结构(即，具有带N1匝的两个绕组)形成。添加了与自耦变压器并联的额外电感，以实现所有MOSFET的零电压切换(ZVS)。该电感能够被集成在自耦变压器(即，作为磁化电感)中。所有开关能够被划分成两个开关组：第一开关组由Q1、Q3、Q6和Q8(如图11中所示出的控制逻辑PWMH)形成，并且第二开关组(Q2、Q4、Q5和Q7)由相对于具有相同占空比的第一组的180°相移的PWM信号(如图11中所示出的控制逻辑PWML)命令。转换器以理想地接近50％的固定占空比运行以获得最小RMS电流。添加了两个额外储存电容器Cc1和Cc2以分别在Q3 Q4与Q7 Q8之间充当已调节级的源电压。
-已调节降压转换器：包括3个开关Q9(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000304
)、Q10(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000305
)和Q11(控制逻辑
Figure BDA0003508589960000306
)和输出电感Lout。开关Q9和Q10充当共享相同低侧开关Q11的高侧开关。
图20是图示了根据本文中的实施例的混合功率转换器的示例图。
如所示出，电压转换器145-21包括具有可变设计电压比率(诸如N1与N2之间的比率)的未调节功率转换器2121(诸如混合开关电容双相谐振转换器)和已调节功率转换器2122、诸如非反相降压升压作为已调节级。
已调节非反相降压升压转换器(功率转换器2122)包括5个开关Q7、Q8、Q9、Q10和Q11以及输出电感器Lout(电感器2162)。开关Q7和Q8共享相同低侧开关Q9的使用，并且表示非反相降压升压功率转换器2122的半桥的输入部分。输出半桥包括开关Q10和Q11。
图21是根据本文中的实施例的用于实施如本文中所讨论的操作中的任何操作的计算机设备的示例框图。
如所示出，本示例的计算机系统2200(诸如由一种或多种资源(诸如控制器140、功率转换器121、功率转换器122等)中的任何资源实施)包括互连件2211，该互连件将计算机可读存储介质2212(诸如非暂时性类型的介质(或硬件存储介质)，数字信息能够被存储在该计算机可读存储介质中和在该计算机可读存储介质中被获取)、处理器2213(例如计算机处理器硬件，诸如一个或多个处理器设备)、I/O接口2214(例如以将控制信号输出给功率转换器相位、监测电流等)和通信接口2217耦合。
I/O接口2214提供与任何合适的电路系统(诸如电源100和对应功率转换器相位121、122等)的连接性。
计算机可读存储介质2212能够是任何硬件存储资源或设备，诸如存储器、光学存储装置、硬盘驱动器、软盘等。在一个实施例中，计算机可读存储介质2212存储由控制器应用140-1使用的指令和/或数据以执行如本文中所描述的操作中的任何操作。
进一步地，在该示例实施例中，通信接口2217使得计算机系统2200和处理器2213能够通过资源(诸如网络190)进行通信，以从远程源获取信息并且与其他计算机通信。
如所示出，计算机可读存储介质2212(诸如计算机可读存储硬件)被编码有由处理器2213执行的控制器应用140-1(例如软件、固件等)。控制器应用140-1能够被配置为包括指令以实施如本文中所讨论的操作中的任何操作。
在一个实施例的操作期间，处理器2213经由使用互连件2211访问计算机可读存储介质2212，以便启动、运行、执行、解释或以其他方式执行存储在计算机可读存储介质2212上的控制器应用140-1中的指令。
控制器应用140-1的执行产生处理功能性，诸如处理器2213中的控制器过程140-2。换言之，与处理器2213相关联的控制器过程140-2表示在计算机系统2200中的处理器2213内或在计算机系统2200中的处理器2213上执行控制器应用140-1的一个或多个方面。
根据不同实施例，应注意，计算机系统2200能够是被配置为控制电源并且执行如本文中所描述的操作中的任何操作的微控制器设备、逻辑、硬件处理器、混合模拟/数字电路系统等。
现在将经由图22中的流程图讨论由不同资源支持的功能性。应注意，以下流程图中的步骤能够按任何合适的顺序执行。
图22是图示了根据本文中的实施例的控制功率转换器的方法的示例图。
在处理操作2310中，电压转换器145接收输入电压120。
在处理操作2320中，控制器140控制第一功率转换器121以产生源自输入电压120的第一输出电流125-1。
在处理操作2330中，控制器140控制第二功率转换器122基于从第一功率转换器121接收到的供应电压135来产生第二输出电流125-2。
在处理操作2340中，电压转换器145(诸如第一功率转换器121与第二功率转换器122的组合)从电压转换器135的相应输出节点139输出第一输出电流125-1与第二输出电流125-2的总和(诸如输出电流125)，以产生向负载118供电的输出电压123。
图23是图示了根据本文中的实施例的在电路板上组装电源和多个互连功率转换器相位的示例图。
在该示例实施例中，组装器2440接收衬底2410和电源100的对应部件以制造控制器140、功率转换器121和功率转换器122。组装器2440将控制器140和诸如与电源100相关联的其他部件固定(耦合)到衬底2410。
经由如本文中所描述的相应电路路径2422，组装器1440提供控制器140、功率转换器121与功率转换器122之间的连接性。电路路径(或一个或多个链路)将功率转换器121和功率转换器122连接到负载118。
应注意，部件(诸如控制器140、功率转换器121、功率转换器122等)和对应部件能够以任何合适的方式固定或耦合到衬底2410。例如，电源100中的部件中的一个或多个部件中的每个部件能够被焊接到衬底2410、插入到设置在衬底2410上的相应插座中等。
还应注意，衬底2410是可选的。如图式中所示出并且如本文中所描述的一个或多个电路路径或连接性中的任何电路路径或连接性能够被设置在电缆或其他合适的介质中。
在一个非限制性示例实施例中，独立于衬底2410，负载118被设置在其自己的衬底上；负载118的衬底(诸如衬底2410或其他衬底)经由连接性器件2423(诸如电线、电缆、链路等中的一种或多种)直接或间接连接到衬底2410。电源100的控制器140或任何部分以及对应功率转换器121和122也能够被设置在插入到衬底2410的插座中的较小的独立式板上。
经由一个或多个电路路径2423(诸如一个或多个迹线、电缆、连接器、电线、导体、导电路径等)，组装器2440将电源100和对应部件耦合到负载118。在一个实施例中，电路路径2423将输出电压123和对应电流125(诸如输出电流125-1和输出电流125-2)传送给负载118。
因此，本文中的实施例包括系统，该系统包括：衬底2410(诸如电路板、独立板、母板、旨在耦合到母板、主机的独立板等)；电源系统100，该电源系统包括如本文中所描述的对应部件；以及负载118(诸如电动机、绕组等)。
应注意，负载118能够是任何合适的电路或硬件，诸如一个或多个CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)和ASIC(专用集成电路，诸如包括一个或多个人工智能加速器的专用集成电路)，该电路或硬件能够位于衬底2410上或被设置在远程位置处。
再次注意，本文中的技术非常适合用于电路应用(诸如生成输出电压来向负载供电的电路应用)中。然而，应注意，本文中的实施例不限于在这种应用中使用，并且本文中所讨论的技术也非常适合用于其他应用。
基于本文中所阐述的描述，已经阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域的技术人员应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践所要求保护的主题。在其他情况下，普通技术人员应知道的方法、装置、系统等尚未被详细描述，以免混淆所要求保护的主题。详细描述的一些部分已经根据算法或运算的符号表示进行了呈现，该运算是对存储在计算系统存储器(诸如计算机存储器)内的数据位或二进制数字信号进行的。这些算法描述或表示是由数据处理领域的普通技术人员用于将他们工作的实质传达给本领域的其他技术人员的技术的示例。如本文中所描述的算法通常被视为是自洽的操作序列或产生期望结果的类似处理。在该上下文中，操作或处理涉及物理量的物理操控。通常，尽管不是必须的，但这种量可以采用能够被存储、传递、组合、比较或以其他方式操控的电信号或磁信号的形式。有时主要出于公共使用的原因，这种信号称为位、数据、值、元素、符号、字符、项、数字、数值等是方便的。然而，应理解，这些和类似的术语中的所有术语都与适当的物理量相关联并且仅仅是方便标签。除非另有明确说明，否则如从以下讨论中显而易见的，应了解，贯穿本说明书的讨论，利用诸如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”等的术语是指计算平台(诸如计算机或类似的电子计算设备)的动作或过程，该计算平台在计算平台的存储器、寄存器或其他信息存储设备、传输设备或显示设备内操控或转变表示为物理电子或磁量的数据。
虽然已经参考本发明的优选实施例具体地示出和描述了本公开，但本领域的技术人员应理解，在不脱离如随附权利要求书所限定的本申请的精神和范围的情况下，在本公开中可以进行在形式和细节上的各种改变。这种变化旨在由本申请的范围涵盖。因而，本申请的实施例的前述描述不旨在作为限制。相反，对本发明的任何限制都被呈现在以下权利要求书中。

Claims (38)

1.一种装置，包括：
第一功率转换器，可操作以产生源自输入电压的第一输出电流；
第二功率转换器，可操作以基于从所述第一功率转换器接收到的中间电压来产生第二输出电流；以及
输出节点，可操作以输出所述第一输出电流与所述第二输出电流的总和，以产生输出电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述中间电压的幅度低于所述输入电压的所有幅度。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者都以与所述输入电压和所述输出电压相关联的公共接地电压为基准。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器是已调节功率转换器；以及
其中所述第二功率转换器是未调节功率转换器。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器是未调节功率转换器；以及
其中所述第二功率转换器是已调节功率转换器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一输出电流的幅度大于所述第二输出电流的幅度。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：
能量存储部件，被耦合在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间，所述能量存储部件可操作以进行：i)在相应控制周期的第一部分期间，将所述输入电压转换成所述第一输出电流，ii)在将所述输入电压转换成所述输出电压的相应控制周期期间的第二部分期间，将所述中间电压从所述能量存储部件提供到所述第二功率转换器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器包括多个开关，所述多个开关可操作以进行：
i)在开关控制周期的第一部分期间，在所述第一功率转换器的串联电路路径中连接能量存储部件，以支持将所述输入电压转换成所述输出电压；以及
ii)在所述开关控制周期的第二部分期间，将所述能量存储部件耦合到接地参考电压、并且将所述中间电压从所述能量存储部件输出到所述第二功率转换器。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
控制器，可操作以进行：i)监测所述输出电压相对于设定点电压的幅度；以及ii)调整源自所述中间电压的所述第二输出电流的幅度以将所述输出电压的所述幅度维持在所述设定点电压处。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器是谐振功率转换器。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一功率转换器可操作以将所述中间电压从电容器输出到所述第二功率转换器，所述电容器被切换进所述第一功率转换器的谐振电路路径中、并且从所述第一功率转换器的谐振电路路径中被切换出来。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电容器在第一模式下被充电，在所述第一模式下，所述电容器被切换到所述谐振电路路径中；以及
其中所述电容器在第二模式下被放电，在所述第二模式下，所述电容器从所述谐振电路路径被切换出来。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述电容器可操作以在所述第二模式期间向所述第二功率转换器输出所述中间电压；以及
其中所述第二功率转换器在所述第二模式期间将所述中间电压转换成所述第二输出电流。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二功率转换器包括：
第一开关和第二开关，被串联设置在能量存储部件与公共接地参考之间，所述能量存储部件输出所述中间电压，所述公共接地参考与所述第一功率转换器和所述第二功率转换器相关联；以及
电感器，提供将所述第一开关和所述第二开关耦合到所述输出节点的节点的连接性。
15.根据权利要求1所述的装置，还包括：
控制器，可操作以进行：
监测所述总和的幅度；以及
调整所述第二输出电流的所述幅度，使得所述第一输出电流与所述第二输出电流的所述总和等于目标输出电流值。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述第二输出电流的所述幅度的调整可操作，以使所述第一输出电流与所述第二输出电流的所述总和等于由第三功率转换器与第四功率转换器的组合供应给由所述输出电压供电的负载的电流的总和。
17.一种方法，包括：
接收输入电压；
经由第一功率转换器，产生源自所述输入电压的第一输出电流和中间电压；
经由第二功率转换器，基于从所述第一功率转换器接收到的所述中间电压来产生第二输出电流；以及
从输出节点输出所述第一输出电流与所述第二输出电流的总和以产生输出电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述中间电压的幅度低于所述输入电压的所有幅度。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：
使所述第一功率转换器和所述第二功率转换器两者以与所述输入电压和所述输出电压相关联的公共接地电压为基准。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一功率转换器是已调节功率转换器；以及
其中所述第二功率转换器是未调节功率转换器。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一功率转换器是未调节功率转换器；以及
其中所述第二功率转换器是已调节功率转换器。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：
产生大于所述第二输出电流的幅度的所述第一输出电流的幅度。
23.根据权利要求17所述的方法，还包括：
i)在相应控制周期的第一部分期间，对所述第一功率转换器的能量存储部件进行充电，同时将所述输入电压转换成所述第一输出电流；以及
ii)在将所述输入电压转换成所述输出电压的相应控制周期的第二部分期间，使所述能量存储部件放电以产生所述第二输出电流。
24.根据权利要求17所述的方法，还包括：
i)在开关控制周期的第一部分期间，在所述第一功率转换器的串联电路路径中连接能量存储部件，以支持将所述输入电压转换成所述输出电压和生成所述中间电压；以及
ii)在开关控制周期的第二部分期间，将所述能量存储部件耦合到接地参考电压、并且从所述能量存储部件供应所述第二输出电流。
25.根据权利要求17所述的方法，还包括：
监测所述输出电压相对于设定点电压的幅度；以及
调整源自所述中间电压的所述第二输出电流的幅度以将所述输出电压的所述幅度维持在所述设定点电压。
26.根据权利要求17所述的方法，还包括：
控制运行所述第一功率转换器的谐振频率。
27.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述中间电压从电容器输出到所述第二功率转换器，所述电容器被切换进所述第一功率转换器的谐振电路路径中、并且从所述第一功率转换器的谐振电路路径被切换出来。
28.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在第一模式下对所述电容器进行充电，在所述第一模式下，所述电容器被切换到所述谐振电路路径中；以及
在第二模式下使所述电容器放电，在所述第二模式下，所述电容器从所述谐振电路路径被切换出来。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
在所述第二模式期间将所述中间电压从所述电容器输出到所述第二功率转换器；以及
在所述第二模式期间将所述中间电压转换成所述第二输出电流。
30.根据权利要求17所述的方法，还包括：
控制第一开关和第二开关的操作，所述第一开关和所述第二开关被串联设置在所述第一功率转换器的能量存储部件与接地参考之间，所述能量存储部件输出所述中间电压，控制所述第一开关和所述第二开关控制所述第二输出电流穿过所述电感器流到所述输出节点。
31.根据权利要求1所述的方法，还包括：
监测所述总和的幅度；以及
调整所述第二输出电流的所述幅度，使得所述第一输出电流与所述第二输出电流的所述总和等于目标输出电流值。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述第二输出电流的所述幅度的调整可操作，以使所述第一输出电流与所述第二输出电流的所述总和等于由第三功率转换器与第四功率转换器的组合供应给由所述输出电压供电的负载的电流的总和。
33.一种在其上存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在被计算机处理器硬件执行时使所述计算机处理器硬件进行：
控制第一功率转换器产生源自输入电压的第一输出电流和中间电压；
控制第二功率转换器基于从所述第一功率转换器接收到的所述中间电压来产生第二输出电流；以及
其中所述第一功率转换器与所述第二功率转换器的组合从输出节点输出所述第一输出电流与所述第二输出电流的总和以产生输出电压。
34.一种控制器，可操作以经由控制第一功率转换器和第二功率转换器实施根据权利要求17所述的方法。
35.一种系统，包括：
电路衬底；以及
根据权利要求1所述的装置，所述装置耦合到所述电路衬底。
36.一种方法，包括：
接纳电路衬底；
接纳根据权利要求1所述的装置；以及
将所述装置固定到所述电路衬底。
37.根据权利要求1所述的装置，还包括：
能量存储部件，被耦合在所述第一功率转换器与所述第二功率转换器之间，所述能量存储部件可操作以进行：i)在相应控制周期的第一部分期间，将所述中间电压提供给所述第二功率转换器；ii)在所述相应控制周期的第二部分期间，对所述能量存储部件进行充电。
38.根据权利要求1所述的装置，还包括：
控制器，可操作以调节所述输出电压相对于设定点电压的幅度。
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