CN115208178B - 级联变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种级联变换器及其控制方法，该级联变换器包括第一级变换器和第二级变换器，该第一级变换器包括第一级控制器和第一级功率电路，该第二级变换器包括第二级控制器和第二级功率电路；该第二级控制器用于将负载电流信息发送给该第一级控制器；该第一级控制器根据该负载电流信息控制该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。本申请提供的级联变换器能够减小第一级变换器的输出电压波动，降低电压跌落的风险，而不需要额外增加电容容量去稳定负载突变带来的电压波动，有利于提升电源的功率密度和降低成本。

Description

级联变换器及其控制方法

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种级联变换器及其控制方法。

背景技术

随着互联网数据的爆炸性增长，数据中心的任务愈加繁重，服务器的能耗日益提升，对应供电系统的功率密度也越来越高；同时，国内能效法规对电源在空载及各种指定轻载下的能效要求愈加严格。电源中的级联变换器的前级功率电路，如整流型电源的功率因素校正(power factor correction,PFC)电路，对于负载突变以及系统轻载等工况未作优化，仅仅依靠滤波储能器件的容量来控制电源的输出，导致在轻载工况下PFC电路的效率低，空载/轻载工况下的功耗较高，难以满足相关法规对能效的要求。

目前，级联变换器采用满足电网适应性的源调节模块和适应负载动态的负载调节模块，并通过高压母线级联，这种两级拓扑的级联变换器的结构如图1所示，该级联变换器的前级功率电路为PFC电路，后级功率电路为隔离式DC/DC电路。该级联变换器主要是通过输出电压的副边控制器检测级联变换器的输出功率，在副边控制器确定级联变换器处于空载/轻载工况时，通过光耦向PFC控制器发送PFC关闭信号；PFC电路控制器根据PFC关闭信号关断前级PFC电路中的可控功率管，提升空载/轻载工况下的效率。

然而，当前级PFC电路中的可控功率管关断，且级联变换器的负载突然增大时，母线电容上的电压很可能已因第一控制环路中PFC电路长时间关闭而处于较低水平，且由于一级功率电路固有的回应延时，导致母线电容电压(即PFC电路的输出电压)进一步不可避免地跌落，进而产生级联变换器输出电压的跌落风险。

发明内容

本申请提供一种级联变换器及其控制方法，用于减小第一级变换器的输出电压波动，提升第二级变换器的输出电压稳定性，从而降低级联变换器输出电压的跌落风险。

第一方面，本申请提供了一种级联变换器，其特征在于，该级联变换器包括第一级变换器和第二级变换器，该第一级变换器包括第一级控制器和第一级功率电路，该第二级变换器包括第二级控制器和第二级功率电路；该第一级功率电路的输出端连接该第二级功率电路的输入端，用于向该第二级功率电路的输入端输出电压；该第二级控制器与该第一级控制器连接，用于向该第一级控制器发送负载电流信息；该第一级控制器，用于根据该负载电流信息控制该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。

其中，该负载电流信息用于标识负载电流的大小，该负载电流为该第二级功率电路的输出端的电流。

本申请中，级联变换器通过获取负载电流，并根据负载电流调节控制第一级变换器的输出电压处于目标电压区间；在负载突变的情况下，第一级变换器的输出电压随着负载电流的变化迅速调整，使得第一级变换器输出电压波动减小，对应二级变换器的输出电压稳定性提升。本申请提供的级联变换器能够减小第一级变换器输出电压跌落的风险，而不需要额外增加电容容量去稳定负载突变带来的电压波动，有利于提升电源的功率密度和降低成本。

在一种可能的实现中，该第一级控制器还用于获取该第一级功率电路的输出电压信息，并将该输出电压信息发送给该第二级控制器；该第二级控制器还用于根据该输出电压信息调节该第二级功率电路的输出电压。

本申请中，通过第二级控制器根据第一级功率电路的输出电压及时对第二级功率电路的输出电压进行调节，能够提高负载电压的稳定性。

在一种可能的实现中，该级联变换器包括高压隔离单元，该第一级控制器与该高压隔离单元的一端连接，该第二级控制器与该高压隔离单元的另一端连接。

本申请中，通过在第一级控制器和第二级控制器之间设置高压隔离单元，能够有效隔离第一级变换器和第二级变换器之间的噪声干扰，保证电路的安全。

在一种可能的实现中，该高压隔离单元为数字隔离器。

本申请中，通过设置传输速率更快，延迟更低的数字隔离器，能够使得第一级控制器和第二级控制器之间的通信速率更快，从而第一级功率电路能够更快地响应负载突变的情况，降低级联变换器的输出电压跌落的危险。

在一种可能的实现中，该负载电流信息为与该负载电流的电流值具有第一映射关系的参数；该第二级控制器还用于根据该电流值和该第一映射关系得到该负载电流信息；该第一级控制器具体用于根据该第一映射关系还原该负载电流信息得到该电流值，并根据该电流值控制该第一级功率电路的输出电压处于该目标电压区间。

在一种可能的实现中，该负载电流信息为脉冲宽度，该脉冲宽度与该电流值具有该第一映射关系；或者，该负载电流信息为脉冲周期，该脉冲周期与该电流值具有该第一映射关系；或者，该负载电流信息为脉冲频率，该脉冲频率与该电流值具有该第一映射关系。

本申请中，通过将负载电流的电流值转换为更适合高压隔离单元发送的信息种类，能够进一步提高第一级控制器和第二级控制器的通信速率，从而提高第一级功率电路的响应速度，降低级联变换器的输出电压跌落的危险。

在一种可能的实现中，该级联变换器包括一个该第一级变换器和多个该第二级变换器；该第一级变换器的第一级功率电路的输出端连接该多个第二级变换器对应的多个第二级功率电路的输入端，该多个第二级变换器对应的多个第二级控制器与该第一级变换器的第一级控制器连接。

其中，该多个第二级控制器为并联状态。

本申请中，通过将多个第二级变换器与一个第一级变换器连接，能够同时为更多负载提供电能，适用性强。

在一种可能的实现中，该第一级控制器具体用于根据该电流值和第二映射关系获取电流补偿值，并根据该电流补偿值控制该第一级功率电路的可控功率管的占空比大于第三阈值且小于第四阈值。其中，当该占空比大于该第三阈值且小于该第四阈值时，该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。

其中，第二映射关系用于标识负载电流的电流值和电流补偿值的映射关系。

在一种可能的实现中，该第一级控制器具体用于，当该电流值小于第五阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取最小电流补偿值；当该电流值大于第五阈值小于第六阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取线性电流补偿值；当该电流值大于第六阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取最大电流补偿值。

其中，该第二映射关系为分段映射，当该电流值大于第五阈值小于第六阈值时第一级控制器可以根据不同的负载电流大小和该第二映射关系中的线性关系，获取不同的电流补偿值。

第二方面，提供一种级联变换器的控制方法，该方法适用于级联变换器，该级联变换器包括第一级变换器和第二级变换器，该第一级变换器包括第一级控制器和第一级功率电路，该第二级变换器包括第二级控制器和第二级功率电路；该第一级功率电路的输出端连接该第二级功率电路的输入端，该第二级控制器与该第一级控制器连接；该第一级功率电路向该第二级功率电路的输入端输出电压；该第二级控制器向该第一级控制器发送负载电流信息；该第一级控制器根据该负载电流信息控制该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。

其中，该负载电流信息用于标识负载电流的大小，该负载电流为该第二级功率电路的输出端的电流。

在一种可能的实现中，在该第一级功率电路向该第二级功率电路的输入端输出电压之后，该方法还包括：该第一级控制器获取该第一级功率电路的输出电压信息，并将该输出电压信息发送给该第二级控制器；该第二级控制器根据该输出电压信息调节该第二级功率电路的输出电压。

在一种可能的实现中，该级联变换器包括高压隔离单元，该第一级控制器与该高压隔离单元的一端连接，该第二级控制器与该高压隔离单元的另一端连接。

在一种可能的实现中，该高压隔离单元为数字隔离器。

在一种可能的实现中，该负载电流信息为与该负载电流的电流值具有第一映射关系的参数；在该第二级控制器向该第一级控制器发送负载电流信息之前，该方法还包括：该第二级控制器根据该电流值和该第一映射关系得到该负载电流信息；该第一级控制器根据该负载电流信息控制该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间，包括：该第一级控制器根据该第一映射关系还原该负载电流信息得到该电流值；该第一级控制器根据该电流值控制该第一级功率电路的输出电压处于该目标电压区间。

在一种可能的实现中，该负载电流信息为脉冲宽度，该脉冲宽度与该电流值具有该第一映射关系；或者，该负载电流信息为脉冲周期，该脉冲周期与该电流值具有该第一映射关系；或者，该负载电流信息为脉冲频率，该脉冲频率与该电流值具有该第一映射关系。

在一种可能的实现中，该级联变换器包括一个该第一级变换器和多个该第二级变换器；该第一级变换器的第一级功率电路的输出端连接该多个第二级变换器对应的多个第二级功率电路的输入端，该多个第二级变换器对应的多个第二级控制器与该第一级变换器的第一级控制器连接。

在一种可能的实现中，该第一级控制器根据该负载电流信息控制该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间，包括：该第一级控制器根据该负载电流信息对应的该电流值和第二映射关系获取电流补偿值，并根据该电流补偿值控制该第一级功率电路的可控功率管的占空比大于第三阈值且小于第四阈值。其中，当该占空比大于该第三阈值且小于该第四阈值时，该第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。

在一种可能的实现中，该第一级控制器根据该电流值和第二映射关系获取电流补偿值包括：当该电流值小于第五阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取最小电流补偿值；当该电流值大于第五阈值小于第六阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取线性电流补偿值；当该电流值大于第六阈值时，根据该电流值和该第二映射关系获取最大电流补偿值。

应理解的，上述多个方面的实现和有益效果可相互参考。

附图说明

图1是现有技术中一种级联变换器的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种级联变换器应用场景的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种级联变换器的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的另一级联变换器的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种负载电流和电流补偿值的映射关系示意图；

图6是本申请实施例提供的一种第一级控制器的环路控制示意图；

图7是本申请实施例提供的一种级联变换器中的联动控制系统的示意图；

图8是本申请实施例提供的一种级联变换器控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着技术发展和新场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例提供的级联变换器可以应用于家用场景，具体可以应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表以及可穿戴设备等不同类型的电子设备的电源适配器，以将220V家庭用电转化成不同类型的电子设备适用的电压和电流；也可以应用于商用场景，具体可以应用于服务器或服务器集群的电源适配器。下面将以服务器供电场景为例进行说明，以下不再赘述。

参见图2，图2是本申请提供的级联变换器的应用场景示意图。在服务器供电场景下，如图2所示，该电源适配器的输入端连接电网，输出端连接服务器。在需要对服务器进行供电时，该电源适配器中的级联变换器可先将电网提供的交流电压(如220V)逆变为第一直流电压，再将第一直流电压进行直流变换得到第二直流电压，并向服务器输出第二直流电压，从而实现对服务器的供电。

由于服务器业务突增或突减会造成级联变换器的负载突变，而级联变换器应对负载突变的能力弱会影响对负载的供电过程中的稳定性，进而影响到服务器业务的稳定性，因此级联变换器应对负载突变的能力尤为重要。本申请实施例提供一种级联变换器及其控制方法，用于减小第一级变换器的输出电压波动，提升第二级变换器的输出电压稳定性，从而降低级联变换器输出电压的跌落风险。

下面将结合图3至图7对本申请实施例提供的级联变换器的工作原理进行说明。

请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种级联变换器的结构示意图。级联变换器1包括第一级变换器11和第二级变换器12，第一级变换器11包括第一级控制器111和第一级功率电路112，第二级变换器12包括第二级控制器121和第二级功率电路122。

其中，第一级功率电路112的输入端作为级联变换器1的输入端Vin，第一级功率电路112的输出端作为第一级变换器11的输出端；第二级功率电路122的输入端作为第一级变换器12的输入端，第二级功率电路122的输出端作为级联变换器1的输出端Vout。第一级变换器11的输出端与第二级变换器12的输入端通过母线连接。

其中，第一级变换器11中还包括与第一级功率电路112的输出端相连的母线电容C，用于储存第一级功率电路112输出的电能。

其中，第一级控制器111和第二级控制器121相连接，以进行信息交互。

图3所示的级联变换器1的工作原理为：第二级控制器121获取第二级功率电路122的输出电流，也即负载电流；第二级控制器121向第一级控制器111发送该负载电流信息；第一级控制器111根据该负载电流信息控制第一级功率电路112的输出电压处于目标电压区间。

其中，负载电流信息用于表示负载电流大小，具体可以是直接表示负载电流大小的负载电流值，也可以是间接表示负载电流大小的参数，例如与负载电流值具有映射关系的参数。

另外，第一级控制器111可以获取第一级功率电路112的输出电压，并根据第一级功率电路112的输出电压控制第一级功率电路112的输出电压处于目标电压区间。也即，当第一级控制器111检测到第一级功率电路112的输出电压高于或低于该目标电压区间时，控制第一级功率电路112的输出电压处于目标电压区间。

其中，第一级控制器111中预设有第一级功率电路112的参考输出电压V1-REF。

其中，第一级控制器111还用于获取输入端Vin的输入电压信息。

具体地，第一级控制器111可以根据上述负载电流信息、第一级功率电路112的输出电压、参考输出电压V1-REF和输入端Vin的输入电压信息调节第一级功率电路112中的可控功率管的占空比，控制第一级功率电路112的输出电压处于目标电压区间。

为了降低级联变换器1在空载/轻载工况下的功耗，第二级控制器121可在第二级功率电路122的输出功率小于第一阈值，或负载电流小于第二阈值时，可以向第一级控制器111发送控制信号，以使第一级控制器111控制第一级功率电路112中的可控功率管处于关断状态，以降低第一级变换器11在空载/轻载工况下的功耗。进一步地，为了避免由于第一级功率电路112中的可控功率管处于关断状态的时间过长导致第一级功率电路112的输出电压过低，在负载突变的工况下因为母线电容C电压的补充不及时导致级联变换器1的电压掉落的情况，第二级控制器121获取负载电流信息，并将该负载电流信息发送给第一级控制器111；第一级控制器111根据该负载电流信息控制第一级功率电路112的输出电压处于目标电压区间。

其中，第一阈值和第二阈值为根据预先定义的轻载工况下第二级功率电路122的输出功率目标值和输出电流目标值。

具体的，当第一级控制器111接收到负载电流信息时，第一级控制器111可以根据该负载电流信息控制第一级功率电路112中可控功率管的占空比大于第三阈值小于第四阈值，以使得第一级功率电路112的输出电压维持在目标电压区间中，进而使得母线电容C上存储的电能能够得到及时补充。这样可以将第一级功率电路112的输出电压维持在一定范围内，从而可避免负载突然增大时，由于母线电容C上存储的电能不足而造成级联变换器的输出电压跌落的情况；还可以降低负载突然减小时电压的过冲程度，有效减小了级联变换器的输出电压波动，提高了应付负载的突变能力。

可以理解的是，相较于现有技术中第一级控制器只关注第一级功率电路的输出电压，维持该输出电压始终大于等于某一阈值的方式，本申请实施例中的第一级控制器111通过负载电流的变化对第一级功率电路112的电压进行预先调节，而不用等到电压下降实际发生后再进行调节，响应速度更快，出现电压掉落的风险更低。

在一种可能的实现中，第一级控制器111可以获取第一级功率电路112的输出电压信息，并将该输出电压信息发送给第二级控制器121；第二级控制器121根据该输出电压信息调节第二级功率电路122的输出电压为目标负载电压值，以稳定地向负载输出电能。

具体地，第一级功率电路112的输出电压不是恒定值，当第一级功率电路112输出电压出现波动时，第二级功率电路122的输出电压将继承甚至放大该波动；若电压偏高则容易危害负载的服务器或电子设备加速老化，缩短使用寿命；若电压偏低则增大电网损耗，降低用电设备的效率。因此，通过第二级控制器121根据第一级功率电路112的输出电压及时对第二级功率电路122的输出电压进行调节，能够提高输出端Vout的输出电压的稳定性。

请参阅图4，图4为本申请实施例提供的另一级联变换器的结构示意图。如图4所示，级联变换器2包括第一级变换器21、第二级变换器22和高压隔离单元23；第一级变换器21中的PFC电路控制器211和第二级变换器22中的输出电压副边控制器221分别与高压隔离单元23的一端连接，PFC电路控制器211和输出电压副边控制器221通过高压隔离单元23进行信息交互；第一级变换器21的输出端和第二级变换器22的输入端连接。

第一级变换器21包括PFC电路控制器211(也即第一级控制器)、PFC电路(也即第一级功率电路)212、输入检测电路213、PFC电路输出电压Vpfc检测电路214以及母线电容C；PFC电路212的输入端作为第一级变换器11的输入端，PFC电路212的输出端作为第一级变换器11的输出端。

其中，母线电容C的一端与PFC电路212的输出端相连，另一端与参考地相连；输入检测电路213一端与输入端Vin相连，另一端与PFC电路控制器211相连，用于对输入端Vin的输入电压进行检测，并将检测结果发送给PFC电路控制器211；Vpfc检测电路214一端与PFC电路212的输出端相连，另一端与PFC电路控制器211相连，用于对PFC电路212的输出电压进行检测，并将检测结果发送给PFC电路控制器211；PFC电路控制器211与PFC电路212中的可控功率管连接，用于根据输入检测电路213、Vpfc检测电路214和第二级变换器22中的输出电压副边控制器221发送的信息控制该可控功率管的占空比，以调节PFC电路212的输出电压。

第二级变换器22包括输出电压副边控制器(也即第二级控制器)221、DC/DC电路(也即第二级功率电路)222和负载电压电流检测电路223。DC/DC电路222的输入端作为第二级变换器22的输入端，DC/DC电路222的输出端作为第二级变换器22的输出端，也即级联变换器2的输出端Vout。

其中，负载电压电流检测电路223的一端与DC/DC电路222的输出端相连，另一端与输出电压副边控制器221连接，用于检测DC/DC电路222的输出电压和输出电流(也即负载电流)，并将检测结果发送给输出电压副边控制器221；输出电压副边控制器221与PFC电路控制器211分别与高压隔离单元23的一端相连，输出电压副边控制器221用于将负载电流信息通过高压隔离单元23发送给PFC电路控制器；输出电压副边控制器221可以通过控制DC/DC电路222中的功率器件，根据PFC电路控制器211发送的PFC电路212的输出电压对DC/DC电路222的输出进行调节。

高压隔离单元23用于减小级联变换器中由于各电路的信号参考点之间的电势差形成的“接地环路”造成的噪声和失真情况，同时保证电路的安全，以及满足安全法规的需求。

在一种可能的实现中，输出电压副边控制器221还用于根据负载电压电流检测电路223检测得到的DC/DC电路222的输出电压和输出电流计算得到级联变换器2的输出功率；当级联变换器2的输出功率小于第一阈值，或负载电流小于第二阈值时，输出电压副边控制器221向PFC电路控制器211发送控制信号；PFC电路控制器211根据该控制信号关断PFC电路212中的可控功率管。

在一种可能的实现中，高压隔离单元23为数字隔离器。

可以理解的是，现有技术中级联变换器的前后两级控制器的主要交互在于后级电路控制器向前级电路控制器发送关断前级功率电路中可控功率管的控制信号，该控制信号数据量少、通信频率低且对传输速率的要求低，因此可以采用传输速率较低，传输延迟较高的光耦进行该控制信号的发送；而本申请实施例中的第一级控制器111和第二级控制器121需要不断地交互信息，以使得第一级功率电路112的电压参数参与第二级控制器121对第二级功率电路122的调节，第二级功率电路122的电路参数参与第一级控制器111对第一级功率电路112的调节；因此，采用传输速率更快，传输延迟更低的数字隔离器可以更好地实现上述功能。

需要说明的是，数字隔离器的传输速率为光耦传输速率的三倍以上，数字隔离器的传输延迟远低于光耦的传输延迟。

可以理解的是，随着科技的发展，高压隔离单元23也可以为传输速率更快，传输延迟更低的新型隔离器。

请再次参阅图4，如图4所示，除了通过高压隔离单元23进行信息交互外，第一级变换器21的第一控制环路和第二级变换器22的第二控制环路各自独立，通过母线电容C实现控制环路的隔离。级联变换器2开始工作后，输入端Vin的输入电压在第一控制环路和第二控制环路的控制下，经过PFC电路212和DC/DC电路222中的两段电压变换，向输出端Vout输出电压。

之后，负载电压电流检测电路223开始检测负载电流的电流值，并将检测得到的负载电流值发送给输出电压副边控制器221；输出电压副边控制器221将该负载电流值对应的负载电流信息通过高压隔离单元23发送给PFC电路控制器211。PFC电路控制器211根据接收到的该负载电流信息得到负载电流值；再将该负载电流值作为调节PFC电路212的依据。例如，负载电流突然变大时PFC电路控制器211提高PFC电路212的输出电压以降低电压跌落程度，负载电流突然减小时，PFC电路控制器211降低PFC电路212的输出电压，减小输出电压过冲程度，解决负载突变引起的第一级变换器21的输出电压波动大的问题。

在一种可能的实现中，负载电流信息是与负载电流值具有第一映射关系的参数；输出电压副边控制器221根据负载电流值和该第一映射关系，计算得到对应的负载电流信息，并将该负载电流信息发送给PFC电路控制器211。PFC电路控制器211根据该第一映射关系还原该负载电流信息得到该负载电流值，最后根据该负载电流值调节控制PFC电路212的输出电压。

其中，第一映射关系是指负载电流值和负载电流信息之间的映射关系。

在一种可能的实现中，该负载电流信息为与该负载电流值具有该第一映射关系的脉冲宽度。

具体地，输出电压副边控制器221可以控制DC/DC电路222中的功率器件的开关频率或周期不变，通过改变高压隔离单元23输出的脉冲宽度的方式传输负载电流值，不同的脉冲宽度代表不同大小的负载电流数值。

例如，当负载电流值在0A至50A范围内时，可以根据该第一映射关系获取0.4ms至0.9ms之间的脉冲宽度，二者为线性对应关系。更具体地，输出电压副边控制器221获取得到某一时刻的负载电流为30A，可以根据该第一映射关系，计算得到对应的脉冲宽度为0.7ms；则输出电压副边控制器221可以通过高压隔离单元23向PFC电路控制器211发送脉冲宽度为0.7ms的脉冲。而PFC电路控制器211在接收到该脉冲后，可以根据该0.7ms的脉冲和该第一映射关系得到该时刻的负载电流值为30A，最后根据该负载电流值调节控制PFC电路212的输出电压。

在另一种可能的实现中，该负载电流信息为与该负载电流值具有该第一映射关系的脉冲频率或脉冲周期。

具体地，输出电压副边控制器221可以控制高压隔离单元23输出的脉冲宽度保持不变，通过改变高压隔离单元23输出脉冲的脉冲频率或脉冲周期传输负载电流值，不同的脉冲周期或脉冲频率代表不同大小的负载电流值。

可以理解的是，在以上两种可能实现中，输出电压副边控制器221能够通过高压隔离单元23以脉冲信号的形式将该负载电流信息发送给PFC电路控制器211，传输速率更快。

在其他的一些可能实现中，输出电压副边控制器221可以直接将负载电流值作为负载电流信息，并通过高压隔离单元23向PFC控制器211发送该负载电流信息；PFC电路控制器211根据则根据接收到的负载电流值调节控制PFC电路212的输出电压。

可以理解的是，PFC电路控制器211可以采用与上述发送负载电流信息类似的方法，将PFC电路212的输出电压映射为对应的参数发送给输出电压副边控制器221，以使得传输速率更快。其中输出电压与上述方法中的负载电流值类似，具体此处不再赘述。

在一种可能的实现中，PFC电路控制器211采用分段电流补偿的方式，根据负载电流值对PFC电路212进行调节。可以参阅图5，图5为负载电流与电流补偿值之间的第二映射关系的示意图。如图5所示，当负载电流小于第五阈值x时，对PFC电路212进行最小电流补偿；当负载电流大于第五阈值x小于第六阈值y时，对PFC电路212进行线性电流补偿；当负载电流大于第六阈值y时，对PFC电路212进行最大电流补偿。

在一种可能的实现中，负载电流信息为与负载电流值具有第一映射关系的参数，该参数具有上限阈值和下限阈值，负载电流和该参数的映射关系与上一种可能实现中的负载电流和电流补偿值的映射关系类似；当PFC电路控制器211接收到该参数后，可以直接根据该参数与电流补偿值的线性的第三映射关系确定电流补偿值的大小。

具体地，电流补偿的实现方式可以参阅图4和图6，图6为本申请实施例提供的PFC电路控制器211的环路控制示意图。如图6所示，在级联变换器2开始工作后，PFC电路控制器211可以获取PFC电路212的输出电压Vpfc，并根据Vpfc和预设于PFC电路控制器211的PFC电路212的参考输出电压Vpfc-REF得到电压偏差以及该电压偏差对应的第一调节值；再根据当前的负载电流值和负载电流补偿函数得到补偿调节值，并将该补偿调节值作为干扰量，对该第一调节值进行增大或减小，得到第二调节值；然后根据当前输入端Vin的输入电压和输入电压转换函数，得到将输入端Vin的输入电压变换为参考输出电压Vpfc-REF的第三调节值；最后根据该该第二调节值和该第三调节值之和调节PFC电路212中的可控功率管的占空比，以使得PFC电路212输出调节后的Vpfc。

例如，PFC电路212的参考输出电压Vpfc-REF为390V，PFC电路控制器211接收到PFC电路212的输出电压Vpfc为380V，则可以得到将输出电压提升10V对应的第一调节值；此时，PFC电路控制器211接收到的负载电流突然增加2A，则可以根据负载电流补偿函数得到用于抵抗对应电压跌落的补偿调节值，并根据该补偿调节值和第一调节值得到第二调节值；此时，输入端Vin的输入电压为220V，则PFC电路控制器211可以根据输入电压转换函数得到将输入电压220V提升至参考输出电压390V对应的第三调节值；最后PFC电路212根据该第二调节值和该第三调节值之和调节PFC电路212中的可控功率管的占空比。

需要说明的是，第一次调节为PFC电路控制器211检测到PFC电路212输出的Vpfc和参考输出电压Vpfc-REF出现偏差后才进行的调节，反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用，因此需要通过控制环路之外的其他控制信号来弥补该落后的响应，达到前馈调节的效果。具体地，通过将负载电流对应的补偿调节值作为一个增加的干扰量进入控制环路，增大或减小第一调节值，以补偿反馈控制方式的调节作用落后的问题,。可以理解的是，如果干扰已经发生而没有产生电压偏差，则负载电流补偿调节的环节不会进行工作。

在了解了上述PFC电路212的输出电压的调节控制流程后，可以参阅图7，图7为图4所示的级联控制器中的联动控制系统示意图。如图7所示，该联动控制系统包括PFC控制器211，输出电压副边控制器221和高压隔离单元23。在级联变换器2工作时，该联动控制系统对PFC电路212的功率器件和DC/DC电路222的功率器件进行控制，进而对输出端Vin的输出电压进行整流、滤波和变换后，向负载提供稳定的电压。

具体地，PFC控制器211获取输入端Vin的输入电压和PFC电路212的输出电压Vpfc，输出电压副边控制器221获取DC/DC电路222的输出电压和输出电流(即负载电流)；PFC电路212的参考输出电压Vpfc-REF和DC/DC电路222的参考输出电压Vout-REF为预设的参考值，分别存储于PFC控制器211和输出电压副边控制器221中。

PFC控制器211可以通过高压隔离单元23，将Vpfc发送给输出电压副边控制器221；输出电压副边控制器221可以根据输出电流和输出电压计算得到输出功率，当输出电流小于第二阈值或输出功率小于第一阈值时，通过高压隔离单元23向PFC控制器211发送控制信号；输出电压副边控制器221还用于获取负载电流信息，并通过高压隔离单元23向PFC控制器211发送该负载电流信息。

PFC控制器211可以根据接收到的负载电流信息确定对应的电流补偿值，再根据输入端Vin的输入电压、Vpfc、Vpfc-REF和该电流补偿值，计算得到关于PFC电路的可控功率管的第一调节参数，最后根据该第一调节参数调节PFC电路的可控功率管的占空比。

输出电压副边控制器221可以根据接收到的Vpfc、输出电压和Vout-REF计算得到关于DC/DC电路功率器件的第二调节参数，并根据该第二调节参数调节DC/DC电路功率器件的占空比。

具体地，PFC控制器211和输出电压副边控制器221通过高压隔离单元23发送脉冲信号的形式进行信息交互。

以上过程实现了两级变换器对于两段电压变换过程的联动控制。

在一种可能的实现中，本申请实施例提供的级联变换器包括一个第一级变换器和多个第二级变换器；每个第二级变换器均为上述实施例中的第二级变换器中的一种。该第一级变换器的第一级功率电路的输出端连接该多个第二级变换器对应的多个第二级功率电路的输入端，该多个第二级变换器对应的多个第二级控制器与该第一级变换器的第一级控制器连接。

第一级变换器和每个第二级变换器之间的联动操作和工作原理可以参见上述实施例中的相应部分，此处不作赘述。可以理解的是，第一级变换器根据该多个第二级变换器对应的多个负载电流信息综合计算第一调节参数，以稳定第一级变换器的工作电压。

需要说明的是，图3或图4中所示的级联变换器的第一级功率电路除了PFC电路外，还可以为AC/DC电路和DC/DC电路中的任意一种；第二级功率电路为DC/DC电路，具体可以为全桥LLC谐振电路或半桥LLC谐振电路，本申请对此不做限制。

本申请实施例中，级联变换器通过获取负载电流值，并根据负载电流值调节控制第一级变换器的输出电压，使得在负载突变的情况下，一级变换器的输出电压波动减小，对应二级变换器的输出电压稳定性提升，不需要额外增加电容容量去稳定负载突变带来的电压波动，有利于提升电源的功率密度和降低成本。

请参阅图8，图8是本申请实施例提供的级联变换器控制方法的流程示意图。本申请实施例提供的级联变换器的控制方法适用于上述图3或图4所示的级联变换器，该方法包括：

步骤801、第一级功率电路向第二级功率电路的输入端输出电压。

其中，级联变换器开始工作后，第一级功率电路向第二级功率电路的输入端输出电压，以使得第二级功率电路向负载提供电压。

步骤802、第二级控制器将负载电流信息发送给第一级控制器。

其中，第二级功率电路的负载电流即为第二级功率电路的输出电流，同时也是级联变换器的负载电流。

其中，第二级控制器可以直接获取负载电流的电流值作为负载电流信息，也可以将该电流值转换为更便于发送给第一级控制器的参数作为负载电流信息。

可以理解的是，根据第二级控制器和第一级控制器之间不同的连接方式，第二级控制器可以通过多种方式将该负载电流信息发送给第一级控制器。

步骤803、第一级控制器根据该负载电流信息控制第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间。

其中，目标电压区间为预设区间，具体地，该目标电压区间的下限可以为根据可能出现的负载突增工况下的电压掉落幅度确定的第一缓冲阈值，上限可以为根据负载突减工况下的电压过冲程度确定的第二缓冲阈值。这样，当出现负载突增时，母线电容提供的大于或等于该第一缓冲阈值的电压能够稳定母线电压，当出现负载突减时，由母线电容提供的小于等于该第二缓冲阈值的电压不会在经过第二级变换器后对负载设备造成电压过冲，可以不需要额外增加电容容量去稳定负载突变带来的电压波动，有利于提升电源的功率密度和降低成本。

具体实现中，本申请实施例提供的级联变换器控制方法中级联变换器所执行的更多操作可参见图3至图7所示的级联变换器及其工作原理的相关部分，在此不再赘述。

本申请实施例中，级联变换器通过获取负载电流值，并根据负载电流值调节控制第一级变换器的输出电压目标电压区间；在负载突变的情况下，一级变换器的输出电压随着负载电流的变化迅速调整，使得第一级变换器输出电压波动减小，对应二级变换器的输出电压稳定性提升。本申请提供的级联变换器能够减小第一级变换器输出电压跌落的风险，而不需要额外增加电容容量去稳定负载突变带来的电压波动，有利于提升电源的功率密度和降低成本。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种级联变换器，其特征在于，所述级联变换器包括第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器包括第一级控制器和第一级功率电路，所述第二级变换器包括第二级控制器和第二级功率电路；

所述第一级功率电路的输出端连接所述第二级功率电路的输入端，用于向所述第二级功率电路的输入端输出电压；

所述第二级控制器与所述第一级控制器连接，用于向所述第一级控制器发送负载电流信息；所述负载电流信息用于标识负载电流的大小，所述负载电流为所述第二级功率电路的输出端的电流；

所述第一级控制器，用于根据所述负载电流信息控制所述第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间；

所述第一级控制器具体用于根据所述第一级功率电路的输出电压确定第一调节值；根据所述负载电流信息计算得到补偿调节值；根据所述补偿调节值增大或减小所述第一调节值得到第二调节值；根据所述第二调节值控制所述第一级功率电路的输出电压处于所述目标电压区间；

其中，当所述负载电流信息对应的电流值小于第五阈值时，所述补偿调节值为最小电流补偿值；当所述电流值大于所述第五阈值且小于第六阈值时，所述补偿调节值与所述电流值为线性关系；当所述电流值大于所述第六阈值时，所述补偿调节值为最大电流补偿值；

所述级联变换器包括高压隔离单元，所述第一级控制器与所述高压隔离单元的一端连接，所述第二级控制器与所述高压隔离单元的另一端连接；

所述高压隔离单元为数字隔离器。

2.根据权利要求1所述的级联变换器，其特征在于，所述第一级控制器还用于获取所述第一级功率电路的输出电压信息，并向所述第二级控制器发送所述输出电压信息；

所述第二级控制器还用于根据所述输出电压信息调节所述第二级功率电路的输出电压。

3.根据权利要求1所述的级联变换器，其特征在于，所述负载电流信息为与所述负载电流的电流值具有第一映射关系的参数；所述第二级控制器还用于根据所述电流值和所述第一映射关系得到所述负载电流信息；

所述第一级控制器具体用于根据所述第一映射关系还原所述负载电流信息得到所述电流值，并根据所述电流值控制所述第一级功率电路的输出电压处于所述目标电压区间。

4.根据权利要求3所述的级联变换器，其特征在于，所述负载电流信息为脉冲宽度，所述脉冲宽度与所述电流值具有所述第一映射关系；或者，所述负载电流信息为脉冲周期，所述脉冲周期与所述电流值具有所述第一映射关系；或者，所述负载电流信息为脉冲频率，所述脉冲频率与所述电流值具有所述第一映射关系。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的级联变换器，其特征在于，所述级联变换器包括一个所述第一级变换器和多个所述第二级变换器；所述第一级变换器的第一级功率电路的输出端连接所述多个第二级变换器对应的多个第二级功率电路的输入端，所述多个第二级变换器对应的多个第二级控制器与所述第一级变换器的第一级控制器连接。

6.一种级联变换器的控制方法，其特征在于，所述级联变换器包括第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器包括第一级控制器和第一级功率电路，所述第二级变换器包括第二级控制器和第二级功率电路；所述第一级功率电路的输出端连接所述第二级功率电路的输入端，所述第二级控制器与所述第一级控制器连接；

所述第一级功率电路向所述第二级功率电路的输入端输出电压；

所述第二级控制器向所述第一级控制器发送负载电流信息；所述负载电流信息用于标识负载电流的大小，所述负载电流为所述第二级功率电路的输出端的电流；

所述第一级控制器根据所述负载电流信息控制所述第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间；

所述第一级控制器根据所述负载电流信息控制所述第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间，包括：

所述第一级控制器根据所述第一级功率电路的输出电压确定第一调节值；根据所述负载电流信息计算得到补偿调节值；根据所述补偿调节值增大或减小所述第一调节值得到第二调节值；根据所述第二调节值控制所述第一级功率电路的输出电压处于所述目标电压区间；

其中，当所述负载电流信息对应的电流值小于第五阈值时，所述补偿调节值为最小电流补偿值；当所述电流值大于所述第五阈值且小于第六阈值时，所述补偿调节值与所述电流值为线性关系；当所述电流值大于所述第六阈值时，所述补偿调节值为最大电流补偿值；

所述级联变换器包括高压隔离单元，所述第一级控制器与所述高压隔离单元的一端连接，所述第二级控制器与所述高压隔离单元的另一端连接；

所述高压隔离单元为数字隔离器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述第一级功率电路向所述第二级功率电路的输入端输出电压之后，所述方法还包括：

所述第一级控制器获取所述第一级功率电路的输出电压信息，并向所述第二级控制器发送所述输出电压信息；

所述第二级控制器根据所述输出电压信息调节所述第二级功率电路的输出电压。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述负载电流信息为与所述负载电流的电流值具有第一映射关系的参数；在所述第二级控制器向所述第一级控制器发送负载电流信息之前，所述方法还包括：

所述第二级控制器根据所述电流值和所述第一映射关系得到所述负载电流信息；

所述第一级控制器根据所述负载电流信息控制所述第一级功率电路的输出电压处于目标电压区间，包括：

所述第一级控制器根据所述第一映射关系还原所述负载电流信息得到所述电流值；

所述第一级控制器根据所述电流值控制所述第一级功率电路的输出电压处于所述目标电压区间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述负载电流信息为脉冲宽度，所述脉冲宽度与所述电流值具有所述第一映射关系；或者，所述负载电流信息为脉冲周期，所述脉冲周期与所述电流值具有所述第一映射关系；或者，所述负载电流信息为脉冲频率，所述脉冲频率与所述电流值具有所述第一映射关系。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述级联变换器包括一个所述第一级变换器和多个所述第二级变换器；所述第一级变换器的第一级功率电路的输出端连接所述多个第二级变换器对应的多个第二级功率电路的输入端，所述多个第二级变换器对应的多个第二级控制器与所述第一级变换器的第一级控制器连接。