CN116137495A - 多级功率转换器及其控制 - Google Patents

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Abstract

本公开的各实施例总体上涉及多级功率转换器及其控制。一种诸如电源或其他合适实体等装置包括控制器。控制器接收目标纹波电流值，目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电压和对应输出电流相关联的纹波电流。控制器根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作功率转换器的开关频率。控制器将所选择的开关频率应用于功率转换器中的开关以产生具有由所述目标纹波电流值指示的纹波电流大小的输出电流。

Description

多级功率转换器及其控制
技术领域
本公开的各实施例总体上涉及多级功率转换器及其控制。
背景技术
诸如由GoogleTM、FacebookTM、和其他实体运营的数据中心为我们的社会提供不可或缺的服务。全球所有数据中心的能耗约为总电能使用量的2％。因此，数据中心供应商不断寻求提高功率转换效率，以节省能源或能够增加现有数据中心中服务器的CPU/GPU/ASIC等的能力。机器学习和人工智能架构需要非常强大的GPU或定制设计的ASIC来满足所需要的计算能力。
需要更高的电压分布和高效的转换系统来减少损耗并且增加转换系统的总功率密度。在过去几年中，供应商推出了机架级48V DC，以支持若干不同方案，以为数字负载(诸如CPU/ASIC/GPU)提供高功率。这些架构由例如开放计算联盟协调，目前OCP 3.0是支持机架内48V DC配电的最现代架构。
将输入电压转换为输出电压的一种电源是所谓的多级降压转换器。3级降压转换器是一种通用拓扑，其用于将功率从较高输入转换和调节到较低输出电压。由于转换器的固有特性，它在输入电压与输出电压之比为2:1时工作得特别好。
发明内容
实现清洁能源(或绿色技术)对于减少人类对环境的影响非常重要。一般来说，清洁能源包括用于减少能源消耗对环境的总体毒性的任何不断发展的方法和材料。
本公开包括如下观察：原始能量(例如，从绿色能源或非绿色能源接收的)通常需要转换成适当的形式(例如，期望的AC电压、DC电压等)，然后才能用于为终端设备(例如，服务器、计算机、移动通信设备、无线基站等)供电。在某些情况下，能量存储在相应的一个或多个电池资源中。备选地，能量从电压发生器接收。
无论能量是从绿色能源还是非绿色能源获取的，都希望最高效地利用这样的系统提供的原能量(如储存和后续分配)，以减少我们对环境的影响。本公开有助于减少我们的碳足迹，并且通过更高效的能量转换提供更好的能量利用。
更具体地，本文中描述的新型电源包括控制器。控制器接收目标纹波电流值，目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电流相关联的纹波电流。在一个实施例中，功率转换器的输出电流包括DC输出电流分量和AC输出电流分量(例如，纹波电流)。当生成功率转换器的输出电压和对应输出电流时，控制器根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作功率转换器的开关频率。控制器然后将所选择的开关频率应用于功率转换器中的开关以产生具有由目标纹波电流值指示的纹波电流的大小的输出电流。
在另外的示例实施例中，功率转换器基于所接收的输入电压产生输出电流(和对应输出电压)。在一个实施例中，目标纹波电流值是分配给输入电压的不同大小或与之相关联的恒定纹波电流值。在这样的实施例中，控制器改变施加到开关的开关频率的大小，使得与功率转换器的输出电流相关联的纹波电流针对输入电压的不同大小等于恒定纹波电流值。因此，在一个实施例中，尽管输入电压的大小随时间下降，但纹波电流的大小是恒定的或至少根据输入电压的大小和/或与电源相关联的一个或多个其他参数被控制为期望值。
在另外的示例实施例中，目标纹波电流值的大小至少部分基于由功率转换器转换为输出电流的输入电压的大小而变化。因此，在一个实施例中，当提供给功率转换器的输入电压的大小随时间变化时，控制器调节施加到功率转换器中的开关的开关频率。输出电流的纹波电流的大小取决于输入电压的大小并且潜在地取决于一个或多个其他参数而变化，如本文中讨论的。
本文中的其他实施例包括：通过控制器或其他合适的实体，基于目标纹波电流值和由功率转换器转换为输出电流的输入电压的大小，导出应用于多级功率转换器并且产生输出电流的所选择的开关频率。
在另外的示例实施例中，由功率转换器提供给负载(动态或静态)的输出电流包括DC电流分量和AC峰间电流分量。在一个实施例中，如本文中讨论的纹波电流表示AC峰间电流分量。
AC峰间电流分量的大小可以是任何合适的值。在一个实施例中，AC峰间电流分量的大小小于DC电流分量的大小的50％。
在另外的示例实施例中，控制器或其他合适的实体基于所接收的目标纹波电流值的大小和功率转换器的电感来选择操作功率转换器以产生输出电流的开关频率。
在另外的非限制性示例实施例中，功率转换器是具有多于2个级别的多级降压转换器。功率转换器的电感提供用于在相应一个或多个开关周期期间存储和/或控制电流传递的方式。
在另外的示例实施例中，纹波电流值的大小是至少部分基于减少与功率转换器相关联的开关损耗来选择的。
如上所述，控制器可以被配置为根据一个或多个参数向功率转换器施加变化的开关频率，诸如输入电压的大小、输出电压的大小，输出电流的大小、功率转换器的电感、功率转换器支持的电压电平的数目、输出电压、输入电压、功率转换器的开关损耗、与所产生的输出电流相关联的期望纹波电流等。
本文中的另外的实施例包括：通过控制器，当在输入电压的不同大小范围内生成输出电流时，防止施加到功率转换器的开关频率下降到阈值水平以下。
如上所述，功率转换器可以被配置为将输入电压转换为提供给动态负载的输出电压和对应输出电流。在另外的示例实施例中，控制器以第一模式和第二模式操作功率转换器之间切换。例如，在输入电压的大小高于阈值水平的条件下，控制器以在使用第一电压电平与第二电压电平之间进行切换的第一模式操作功率转换器以产生输出电流。在输入电压的大小低于阈值水平的条件下，控制器以在第二电压电平与第三电压电平之间进行切换的第二模式操作功率转换器以产生输出电压和对应输出电流。
在另外的示例实施例中，控制器基于：i)输出电压的大小，以及ii)由功率转换器转换为输出电流的输入电压的大小来产生第一调制指数值，即m_real；如上所述，控制器或其他合适的实体基于第一调制指数值导出开关频率。
在另外的示例实施例中，第一调制指数值m_real等于Vout/Vin，其中Vout是向负载提供输出电流的功率转换器的输出电压的大小，其中Vin是输入电压的大小。控制器产生第二调制指数值m_eff，第二调制指数值m_eff等于m_real MODULO(1/N_cells)，其中N_cells＝N_levels-1，其中值N_levels等于由功率转换器支持以产生输出电压的不同电压的数目；其中开关频率为f_sw；并且其中：
f_sw＝Vin(Δi·L)·m_eff·(1/N_cells-m_eff)，
其中Δi＝目标纹波电流值，以及
其中L＝在功率转换器中实现以将输入电压转换为输出电流的电感的大小。
在另外的示例实施例中，本文中讨论的电源包括具有多级转换器结构的功率转换器。级别的数目等于或大于3；功率转换器以可变开关频率在输入输出电压比的至少一个操作范围内操作。在一个实施例中，可变频率取决于一个或多个参数，例如输入电压与输出电压的比率。如本文中讨论的控制器调节开关频率，以保持输出电流的纹波电流恒定或将其保持为某个目标值，如上所述。
在另外的示例实施例中，目标纹波电流值可以是功率转换器的效率以及一个或多个其他参数(例如，输入电压)的函数。在这种情况下，如本文中讨论的控制器监测输入电压的大小和功率转换器的一个或多个操作设置(例如，DC输出电压设定点、DC输出电流的大小等)，以确定适当的开关频率，在该开关频率中从功率转换器生成输出电压和对应输出电流。
注意，本文中的实施例比传统技术有用。例如，与传统技术相比，本文中描述的新型控制器提供了生成输出电压和对应输出电流的独特控制。
下面更详细地公开了这些和其他更具体的实施例。
注意，本文中讨论的任何资源可以包括一个或多个计算机化设备、装置、硬件等，以执行和/或支持本文中公开的方法操作中的任何一个或全部。换言之，一个或多个计算机化设备或处理器可以被编程和/或配置为如本文中解释的那样操作以执行如本文中描述的不同实施例。
本文中的其他实施例包括用于执行上面概括的和下面详细公开的步骤和/或操作的软件程序。一个这样的实施例包括一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括非暂态计算机可读存储介质(即，任何计算机可读硬件存储介质)，在该非暂态计算机可读存储介质上编码有软件指令以供后续执行。该指令当在具有处理器的计算机化设备(硬件)中执行时编程和/或引起处理器(硬件)执行本文中公开的操作。这样的布置通常被提供作为软件、代码、指令和/或其他数据(例如，数据结构)，该软件、代码、指令和/或数据被布置或编码在诸如光学介质(例如，CD-ROM)、软盘、硬盘、记忆棒、存储器设备等非暂态计算机可读存储介质上、或其他介质，诸如一个或多个ROM、RAM、PROM等中的固件，或者这样的布置通常被提供作为专用集成电路(ASIC)等。软件或固件或者其他这样的配置可以安装到计算机化设备上以引起计算机化设备执行本文中解释的技术。
因此，本文中的实施例涉及支持本文中讨论的操作的方法、系统、计算机程序产品等。
本文中的一个实施例包括一种其上存储有指令的计算机可读存储介质和/或系统。该指令在由计算机处理器硬件执行时引起计算机处理器硬件(例如，一个或多个共同定位或不同定位的处理器设备或硬件)：接收目标纹波电流值，目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电流相关联的纹波电流；根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作功率转换器的开关频率；并且将所选择的开关频率应用于功率转换器中的开关以产生具有由目标纹波电流值指示的纹波电流的输出电流。
为清楚起见，添加了上述步骤的顺序。注意，本文中讨论的任何处理步骤都可以以任何合适的顺序执行。
本公开的其他实施例包括用于执行上面总结并且在下面详细公开的任何方法实施例步骤和操作的软件程序和/或相应硬件。
应当理解，如本文中讨论的系统、方法、装置、计算机可读存储介质上的指令等也可以严格地体现为软件程序、固件、软件、硬件和/或固件的混合体、或单独的硬件，诸如在处理器(硬件或软件)内，或者在操作系统内或者在软件应用内。
进一步注意，尽管本文中讨论的实施例适用于控制包括一个或多个调节功率转换器级和一个或多个开关电容器转换器的电源的操作，但本文中公开的概念可以有利地应用于任何其他合适的电压转换器拓扑。
此外，注意，尽管本文中的每个不同特征、技术、配置等都可能在本公开的不同地方讨论，但意图在于，在合适的情况下，每个概念可以可选地彼此独立地执行或彼此相结合。因此，如本文中描述的一个或多个本发明可以以很多不同方式体现和查看。
此外，注意，本文中的实施例的这个初步讨论(“发明内容”)并未特意指定本公开或(多个)要求保护的发明的每个实施例和/或增加的新颖方面。相反，该简要描述仅呈现一般实施例和相对于常规技术的对应新颖点。对于(多个)本发明的附加细节和/或可能的观点(排列)，读者可以参考“具体实施方式”部分(其是实施例的概述)和本公开的对应附图，如下面进一步讨论的。
附图说明
图1是示出根据本文中的实施例的包括开关频率选择器和一个或多个快速电容器的功率转换器控制器的示例图；
图2是示出根据本文中的实施例的示例控制器和多级功率转换器的详细示例图；
图3是示出根据本文中的实施例的占空比与纹波电流的关系的示例图；
图4是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间衰减时施加到多级功率转换器以提供恒定输出纹波电流的开关频率的变化的示例图表；
图5是示出根据本文中的实施例的功率转换器的控制和输出电流的生成的示例图；
图6A、图6B、图6C和图6D示出了根据本文中的实施例的通过图5中的控制信号来操作多级功率转换器的不同控制模式；
图7是示出根据本文中的实施例的功率转换器的控制和输出电流的生成的示例图；
图8A、图8B、图8C和图8D示出了根据本文中的实施例的通过图5中的控制信号来操作多级功率转换器的不同控制模式；
图9是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间变化时提供目标输出纹波电流的开关频率的大小的变化的示例图表；
图10是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间变化时提供目标输出纹波电流的开关频率的大小的变化的示例图表；
图11是示出根据本文中的实施例的多级功率转换器和开关频率控制的应用的示例图；
图12是示出根据本文中的实施例的操作用于执行一个或多个操作的计算机架构的示例图；
图13是示出根据本文中的实施例的一般方法的示例图；以及
图14是示出根据本文中的实施例的在电路板上制造多级功率转换器(例如，稳压转换器)的示例图。
本文中的实施例的前述和其他目的、特征和优点将从本文中的以下更具体描述中变得明显，如附图所示，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中表示相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是重点放在说明实施例、原理、概念等上。
具体实施方式
如上所述，本文中的实施例比传统技术有用。例如，与传统技术相比，本文中描述的新型电源包括控制器。控制器基于目标纹波电流值调节从功率转换器生成输出信号。例如，控制器接收目标纹波电流值，目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电压和对应输出电流相关联的纹波电流。在一个实施例中，功率转换器的输出电流包括DC输出电流分量和AC输出电流分量(例如，纹波电流)。当生成功率转换器的输出电流时，控制器根据所接收的目标纹波电流值(AC输出电流分量)的大小来选择操作功率转换器的开关频率。控制器然后将所选择的开关频率应用于功率转换器中的开关以产生具有由目标纹波电流值指示的纹波电流的大小的输出电流。
现在，更具体地，图1是示出根据本文中的实施例的包括开关频率选择器和一个或多个快速电容器的功率转换器的示例图。
如该示例实施例中所示，电源100包括控制器140、功率转换器111(也称为电压转换器)和负载118。
在一个实施例中，电源100中的每个组件表示诸如装置、电子设备、电子电路系统等实体，尽管它们可以以任何合适的方式实现。
控制器140和对应开关频率选择器141可以被实例化为或包括硬件(例如，电路系统)、软件(可执行指令)或硬件、和软件资源的组合(如果适用)。换言之，控制器140可以实现为控制器硬件、控制器软件、或控制器硬件和控制器软件的组合。
根据另外的示例实施例，功率转换器111包括一个或多个快速电容器，例如快速电容器FC1、快速电容器FC2等。功率转换器111还包括开关125(例如，包括一个或多个开关Qx)网络和电感器144。
在操作期间，通过控制开关125的控制信号105，控制器140控制能量从输入电压120和一个或多个快速电容器(例如，FC1、FC2等)到电感器144的传输。通过由控制器140控制的开关125网络的开关，快速电容器从一个或多个参考电压(诸如输入电压121)(从输入电压源120-1接收的)、接地等进行充电和放电。电感器144将从输入电压121和快速电容器FC1、FC2等接收的能量转换为输出电压123和对应输出电流122以为动态负载118供电。
在另外的示例实施例中，控制器140接收目标纹波电流值TRCV，目标纹波电流值指示与输出电流122的生成相关联的纹波电流。如上所述，在一个实现中，功率转换器的输出电流122包括DC输出电流分量和AC输出电流分量(例如，前面提到的纹波电流)。AC输出电流分量可以取任何合适的值，诸如正弦波、锯齿波等。
当生成功率转换器111的输出电流122时，控制器140根据所接收的目标纹波电流值TRCV的大小来选择操作功率转换器111和对应开关125(也称为Qx)的开关频率SF。控制器140然后将所选择的(适当的)开关频率SF应用于功率转换器111中的开关125，以产生具有由目标纹波电流值TRCV指示的纹波电流(AC分量)的大小的输出电流122。
图2是示出根据本文中的实施例的示例控制器和多级功率转换器的详细示例图。
在该示例实施例中，功率转换器111-1实现为多级功率转换器，并且包括输入电压源120-1、多个开关Q1、Q2、Q3和Q4、快速电容器FC1、电感器144和输出电容器C1。
在一个实施例中，开关125(诸如Q1、Q2、Q3和Q4)实现为场效应晶体管。然而，注意，开关Q1、Q2、Q3和Q4可以通过任何合适类型的资源来实现。
此外，在该示例实施例中，多个开关Q1、Q2、Q3和Q4串联连接在输入参考电压与接地参考之间。例如，开关Q1的漏极节点(D)连接到输入电压源节点120-1(例如，电池、由另一电源提供的电压等)；开关Q1的源极节点(S)连接到开关Q2的漏极节点(D)(也称为节点293)；开关Q2的源极节点(S)连接到开关Q3的漏极节点(D)和电感器144的节点292；开关Q3的源极节点(S)连接到开关Q4的漏极节点(D)；开关Q4的源极节点(S)接地。
多级功率转换器111-1的该示例实例包括快速电容器FC1。快速电容器FC1与开关Q2和Q3的串联组合并联连接。更具体地，快速电容器FC1的第一节点连接到节点293；快速电容器FC1的第二节点连接到节点294。
此外，在该示例实施例中，控制信号105包括控制信号S1、控制信号S2、控制信号S3和控制信号S4。
如图所示，控制信号S1被施加到开关Q1的栅极节点以控制其操作；控制信号S2被施加到开关Q2的栅极节点以控制其操作；控制信号S3被施加到开关Q3的栅极节点以控制其操作；控制信号S4被施加到开关Q4的栅极节点以控制其操作。
在另外的示例实施例中，控制器140可以被配置为调节来自功率转换器111-1的输出电压123(Vout)的大小以为动态负载118供电。
例如，在一个实施例中，功率转换器111-1接收指示产生输出电压123的大小的设定点参考电压215(例如，24VDC或其他合适的值)。在输出电压123和对应输出电流122的生成期间，控制器140实现比较器241以产生误差电压245，该误差电压245指示输出电压123的大小与设定点参考电压215之间的差。控制器140改变控制信号105(即，控制信号S1、控制信号S2、控制信号S3和控制信号S4)的占空比，使得输出电压123的DC分量基本上等于设定点参考电压215。
因此，开关Q1-Q4被控制以将输入电压121转换为输出电流122。控制器140控制施加到开关Q1、Q2、Q3和Q4的控制信号105的开关频率SF，使得与输出电流122相关联的AC(纹波)电流基本上匹配(例如，10％、20％或任何合适的量等)相应目标纹波电流值TRCV。因此，本文中讨论的控制器140在产生输出电压123和对应输出电流122时同时实现多种类型的控制。
例如，控制器140以与前面讨论的类似的方式改变用于控制相应开关125(Q1、Q2、Q3和Q4)的占空比，以将输出电压123的大小保持在期望水平。此外，控制器140选择适当的开关频率SF，使得输出电流122的纹波电流近似等于目标参考电流值TRCV。
图3是示出根据本文中的实施例的占空比与纹波电流的关系的示例图。
图3的图表315示出了当实现本文中讨论的功率转换器111时纹波电流的大小与占空比之间的关系。例如，图表315示出了纹波电流相对于标准降压转换器的占空比的归一化大小。另一方面，图表310中的曲线320指示通过实现多级功率转换器111(3个电压电平0、Vin/2和Vin)与输出电流122相关联的纹波电流的大小。如图表310所示，当用50％占空比控制信号105控制功率转换器111中的开关125时，纹波电流基本为零。
在一个实施例中，电压源120-1是电池；输入电压121的大小随时间衰减。功率转换器111适合于从例如60VDC电压逐渐降低到40VDC的电池进行功率转换。图2中的3级降压功率转换器111提供经调节的24VDC总线输出电压123，其随后通过电容分压器(例如，开关储能转换器)转换为12V。降压转换器通常以恒定开关频率操作，其中开关频率受开关损耗量的限制。
本文中的实施例包括在输出电流122上产生非零纹波电流(例如，由设定点目标纹波电流值TRCV指示)，同时还将对应输出电压123的DC电压分量的大小调节到期望设定点参考电压。
图4是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间衰减时提供恒定输出纹波电流的在理想条件下对开关频率的可变控制的示例图表。
图表400示出了基于可变输入电压121的功率转换器111随时间的操作。例如，假定控制器140接收24VDC的目标DC电压值作为设定点参考电压215。此外，假定控制器140接收TRCV＝4安AC的目标纹波电流电压设置。
在时间T80，输入电压121(例如，从电池或其他合适的实体(源120-1)接收的)以大约60VDC的大小开始。随着电池中的能量从时间T80到时间T85耗尽，输入电压121的大小随时间减小。以如前所述的方式，控制器140将输出电压123的大小调节为24VDC。
另外，在输入电压121的不同大小范围内，控制器140实现开关频率选择器141以向功率转换器111中的开关125施加适当的开关频率SF，使得与输出电流122相关联的纹波电流的大小针对输入电压121的不同大小范围等于目标纹波电流值TRCV＝4安。更具体地，参见包络410，其指示在输入电压121的不同大小范围内与所生成的输出电流122相关联的纹波电流的范围。在该示例实施例中，包络410指示输出电流的纹波电压基本恒定。
进一步注意，图表400还示出了开关频率选择器141和控制器140在时间T80与T83之间减小开关频率SF的大小以适应输入电压121的变化。如上所述，开关频率SF的控制导致大约4安培的基本恒定的纹波电流。假定在该示例实施例中，动态负载118在24VDC的输出电压下消耗大约50DC安培。在这种情况下，平均输出电流122为50AMPS，包括4AMP纹波电流分量。
因此，在时间T80与T83之间，控制器140和对应开关频率选择器141减小开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比小于50％。在时间T83处或附近，功率转换器111的操作达到拐点。在时间T83之后，因为输入电压121低于大约48VDC的阈值水平，所以控制器140和对应开关频率选择器141增加开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比大于50％。示例如图5-图8所示。
再次参考图4，在另外的示例实施例中，为了将纹波电流的大小保持在4安培的目标值附近，注意，控制器140可以被配置为基于：i)输出电压123的大小，以及ii)由功率转换器111转换为输出电流122的输入电压121的大小来产生第一调制指数值，即m_real。如下面进一步讨论的，控制器140或其他合适的实体基于第一调制指数值导出开关频率SF。
在一个实施例中，第一调制指数值
m_real＝Vout/Vin， (等式1)
其中Vout是向负载118提供输出电流122的功率转换器111的输出电压123的大小，其中Vin是输入电压121的大小。
开关频率选择器141和控制器140产生第二调制指数值，
m_eff＝m_real x MODULO x(1/N_cells)， (等式2)
其中N_cells＝nlevels-1， (等式3)
其中n_levels等于由功率转换器111支持以产生输出电压123的不同电压的数目(例如，图2中的功率转换器111的3个级别，其中n_cells＝2)；其中开关频率是f_sw(也称为开关频率SF信号)；并且其中：
f_sw＝Vin/(Δi·L)·m_eff·(1/N_cells-m_eff)， (等式4)
其中Δi＝目标纹波电流值TRCV＝4安培，并且
其中L＝在功率转换器111中实现以将输入电压121转换为输出电流122的电感(电感器144，例如2微亨或其他合适的值)的大小。
图5是示出根据本文中的实施例的功率转换器的控制和输出电流的生成的示例图。图6A、图6B、图6C和图6D示出了根据本文中的实施例的通过图5中的控制信号来操作多级功率转换器的不同控制模式。以下描述参考相关的图5、图6A、图6B、图6C和图6D。
当输入电压121的大小大于输出电压设定值(例如，24VDC)的大小的两倍时，控制器140以如图5的图表510所示的方式生成控制信号105。例如，控制器140实现多个控制阶段或模式A1、A2、A3和A4，以通过占空比小于50％的控制信号(图5、图6A、图6B、图6C和图6D)产生输出电压123和对应输出电流122，因为输入电压121的大小大于24VDC的输出电压设定值的两倍。
如图5所示，在模式A1期间，在时间T51与T52之间，控制器140将开关Q1和Q3激活为ON状态并且将开关Q2和Q4激活为OFF状态。如图6A所示，模式A1的操作导致电流从输入电压源120-1流过包括开关Q1、快速电容器FC1、开关Q3和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点A1包括快速电容器FC1的充电。
如图5所示，在模式A2期间，在时间T52与T53之间，控制器140将开关Q3和Q4激活为ON状态并且将开关Q1和Q2激活为OFF状态。如图6B所示，模式A2的操作导致电流从接地参考流过包括开关Q4、开关Q3和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点A2包括将电感器144耦合到地。
如图5所示，在模式A3期间，在时间T53与T54之间，控制器140将开关Q2和Q4激活为ON状态并且将开关Q1和Q3激活为OFF状态。如图6C所示，模式A3的操作导致电流从接地参考流过包括开关Q4、快速电容器FC1、开关Q2和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点A3包括快速电容器FC1的放电。
如图5所示，在模式A4期间，在时间T54与T55之间，控制器140将开关Q3和Q4激活为ON状态并且将开关Q1和Q2激活为OFF状态。如图6D所示，模式A4的操作导致电流从接地参考流过包括开关Q4、开关Q3和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点A4包括将电感器144耦合到地。
如图510进一步所示，控制器140随时间重复该控制循环。
如上所述，以这种方式切换开关125导致生成具有期望纹波电流大小的输出电流122。
图7是示出根据本文中的实施例的功率转换器的控制和输出电流的生成的示例图。图8A、图8B、图8C和图8D示出了根据本文中的实施例的通过图7中的控制信号来操作多级功率转换器的不同控制模式。
当输入电压121的大小小于输出电压设定值(例如，24VDC)的大小的两倍时，控制器140以如图7的图表710所示的方式生成控制信号105。例如，控制器140实现多个控制阶段或模式B1、B2、B3和B4，以通过占空比大于50％的控制信号(图7、图8A、图8B、图8C和图8D)产生输出电压123和对应输出电流122，因为输入电压121的大小大于24VDC的输出电压设定值的两倍。
如图7所示，在模式B1期间，在时间T71与T72之间，控制器140将开关Q1和Q2激活为ON状态并且将开关Q3和Q4激活为OFF状态。如图8A所示，模式B1的操作导致电流从输入电压源120-1流过包括开关Q1、开关Q2和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点B1包括将电感器144连接到输入电压源120-1。
如图7所示，在模式B2期间，在时间T72与T73之间，控制器140将开关Q1和Q3激活为ON状态并且将开关Q2和Q4激活为OFF状态。如图8B所示，模式B2的操作导致电流从输入电压源120-1流过包括开关Q1、快速电容器FC1、开关Q3和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点B2包括对快速电容器FC1充电。
如图7所示，在模式B3期间，在时间T73与T74之间，控制器140将开关Q1和Q2激活为ON状态并且将开关Q3和Q4激活为OFF状态。如图8C所示，模式B3的操作导致电流从输入电压源120-1流过包括开关Q1、开关Q2和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点B3包括将电感器144连接到输入电压源120-1。
如图7所示，在模式B4期间，在时间T74与T75之间，控制器140将开关Q2和Q4激活为ON状态并且将开关Q1和Q3激活为OFF状态。如图8D所示，模式B4的操作导致电流从接地参考流过包括开关Q4、快速电容器FC1、开关Q2和电感器144的电路路径，以产生输出电压123和对应输出电流122。因此，节点B4包括对快速电容器FC1放电。
如图710进一步所示，控制器140随时间重复该控制循环。
如上所述，以这种方式切换开关125导致生成具有期望纹波电流大小的输出电流122。
图9是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间变化时提供目标输出纹波电流的开关频率的大小的变化的示例图表。
图表900示出了基于可变输入电压121的功率转换器111随时间的操作。例如，假定控制器140接收24VDC的目标DC电压值作为设定点参考电压215。此外，假定控制器130接收TRCV＝2-4安培AC的可变目标纹波电流电压设置(例如，峰间纹波)。
在时间T90，输入电压121(例如，从电池或其他合适的实体(源120-1)接收的)以大约60VDC的大小开始。随着电池中的能量从时间T90到时间T95耗尽，输入电压121的大小随时间减小。以如前所述的方式，控制器140将输出电压123的大小调节为24VDC。
另外，在输入电压121的不同大小范围内，控制器140实现开关频率选择器141以向功率转换器111中的开关125施加适当的开关频率SF，使得与输出电流122相关联的纹波电流的大小针对输入电压121的不同大小范围等于如包络910所示的目标纹波电流值TRCV。更具体地，参见包络910，其指示在输入电压121的不同大小范围内与所生成的输出电流122相关联的纹波电流的范围。在该示例实施例中，包络910指示输出电流122的纹波电流的期望大小随时间变化，例如基于输入电压121的大小或合适的参数。在该示例实施例中，对于输入电压121的不同大小随时间改变纹波电流的大小导致输入电压121更高效地(例如，更低的开关损耗)转换为输出电压123和对应输出电流122。
进一步注意，图表900还示出了开关频率选择器141和控制器140在时间T90与T93之间减小开关频率SF的大小以适应输入电压121的变化。如上所述，开关频率SF的控制导致大约2-4安培之间的基本可变的纹波电流。注意，如果需要，本文中的实施例包括查找表的实现，以确定开关频率SF的适当设置。换言之，以如前所述的方式，开关频率选择器141和对应控制器140可以被配置为实现等式，以确定应用于相应开关125的适当开关频率，从而在输出电流122上实现期望纹波电流。备选地，控制器140和对应开关频率选择器可以被配置为包括输入电压(和/或一个或多个其他被监测电源参数)到用于这些电源条件的适当开关频率SF的预定映射的查找表。
假定在该示例实施例中，动态负载118在24VDC的输出电压下消耗大约50DC安培。在这种情况下，平均输出电流122为50AMPS，包括可变量的纹波电流分量。
因此，在时间T90与T93之间，控制器140和对应开关频率选择器141减小开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比小于50％。在时间T93时或附近，功率转换器111的操作达到拐点。在时间T93之后，因为输入电压121低于大约48VDC的阈值水平，所以控制器140和对应开关频率选择器141增加开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比大于50％。示例先前在图5-图8中有讨论。
图10是示出根据本文中的实施例的当输入电压的大小随时间变化时提供目标输出纹波电流的开关频率的大小的变化的示例图表。
图表1000示出了基于可变输入电压121的功率转换器111随时间的操作。例如，假定控制器140接收24VDC的目标DC电压值作为设定点参考电压215。此外，假定控制器140针对不同电源条件接收TRCV＝1-4安培AC的可变目标纹波电流电压设置(例如，峰间纹波)。
在时间T10，输入电压121(例如，从电池或其他合适的实体(源120-1)接收的)以大约60VDC的大小开始。随着电池中的能量从时间T10到时间T15耗尽，输入电压121的大小随时间减小。以如前所述的方式，控制器140将输出电压123的大小调节为24VDC。
另外，在输入电压121的不同大小范围内，控制器140实现开关频率选择器141以向功率转换器111中的开关125施加适当的开关频率SF，使得与输出电流122相关联的纹波电流的大小针对输入电压121的不同大小范围等于如包络1010所示的目标纹波电流值TRCV。更具体地，参见包络1010，其指示在不同电源条件(例如，输入电压121的大小)范围内与所生成的输出电流122相关联的纹波电流的范围。在该示例实施例中，包络1010指示输出电流122的纹波电流的期望大小随时间变化，例如基于输入电压121的大小或合适的参数。在该示例实施例中，对于输入电压121的不同大小随时间改变纹波电流的大小导致输入电压121更高效地(例如，更低的开关损耗)转换为输出电压123和对应输出电流122。
进一步注意，图表1000还示出了开关频率选择器141和控制器140在时间T10与T13之间减小开关频率SF的大小以适应输入电压121的变化。如上所述，开关频率SF的控制导致大约1-4安培之间的基本可变的纹波电流。注意，如果需要，本文中的实施例包括查找表的实现，以确定开关频率SF的适当设置。换言之，以如前所述的方式，开关频率选择器141和对应控制器140可以被配置为实现等式，以确定应用于相应开关125的适当开关频率，从而在输出电流122上实现期望纹波电流。备选地，控制器140和对应开关频率选择器141可以被配置为包括输入电压(和/或一个或多个其他被监测电源参数)到用于这些电源条件的适当开关频率SF的预定映射的查找表。
假定在该示例实施例中，动态负载118在24VDC的输出电压下消耗大约50DC安培。在这种情况下，平均输出电流122-AVE为50AMPS(其可以稍微变化)，包括可变量的纹波电流分量。
因此，在时间T10与T13之间，控制器140和对应开关频率选择器141减小开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比小于50％。在时间T13时或附近，功率转换器111的操作达到拐点。在时间T13之后，因为输入电压121低于大约48VDC的阈值水平，所以控制器140和对应开关频率选择器141增加开关频率SF的大小，其中操作开关的占空比大于50％。示例先前在图5-图8中有讨论。
在大约时间T12与T14之间，开关频率SF不会下降到低于大约200KHz的较低频率阈值水平。
图11A是示出根据本文中的实施例而控制的3级双极切换中性点箝位拓扑的示例图。
在该示例实施例中，控制器140-1控制操作功率转换器111-11A(诸如3级双极开关中性点箝位拓扑)的开关频率，使得在输入电压121-11A的不同大小范围内，相应功率转换器111-111A的输出电流122-11A设置为期望纹波电流值。换言之，本文中的实施例提出了一种功率转换器和对应控制方法，其中功率转换器111-11A的调节被调节以使得至少在输入到输出电压的一个操作范围内，电流纹波是恒定的或变化的。
图11B是示出根据本文中的实施例而控制的37级混合有源中性点箝位拓扑的示例图。
在该示例实施例中，控制器140-2控制操作功率转换器111-11B(诸如7级混合有源中性点箝位拓扑)的开关频率，使得在输入电压的不同大小范围内，相应功率转换器111-111B的输出电压恒定。换言之，本文中的实施例提出了一种功率转换器和对应控制方法，其中功率转换器111-11B的调节被调节以使得至少在输入到输出电压的一个操作范围内，电流纹波相对于期望纹波电流值保持恒定或变化。注意，对于7级逆变器，该操作点适用于输出电压为5/6VDC；2/3VDC；1/2VDC；1/3VDC和1/6VDC，其中VDC为输入电压。
图12是根据本文中的实施例的用于实现如前所述的任何操作的计算机系统的示例框图。
如本文中讨论的任何资源(例如，控制器140、开关频率选择器141等)可以被配置为包括用于执行如本文中论述的不同操作的计算机处理器硬件和/或对应可执行指令。
如图所示，本示例的计算机系统1250包括互连1211，互连1211耦合计算机可读存储介质1212，诸如非暂态类型的介质(其可以是其中可以存储和检索数字信息的任何合适类型的硬件存储介质)、处理器1213(计算机处理器硬件)、I/O接口1214和通信接口1217。
I/O接口1214支持到功率转换器111的连接。
计算机可读存储介质1212可以是任何硬件存储设备，例如存储器、光存储、硬盘、软盘等。在一个实施例中，计算机可读存储介质1212存储指令和/或数据。
如图所示，计算机可读存储介质1212可以用控制器应用140-1(例如，包括指令)编码以执行本文中讨论的任何操作。
在一个实施例的操作期间，处理器1213使用互连1211访问计算机可读存储介质1212，以便启动、运行、进行、解释或以其他方式执行存储在计算机可读存储介质1212上的控制器应用140-1中的指令。控制器应用140-1的执行产生用于执行本文中讨论的任何操作和/或过程的控制器过程140-2。
本领域技术人员将理解，计算机系统1250可以包括其他过程和/或软件和硬件组件，例如控制硬件资源的分配和使用以执行控制器应用140-1的操作系统。
根据不同实施例，注意，计算机系统可以驻留在各种类型的设备中的任何一种，包括但不限于电源、开关电容转换器、功率转换器、移动计算机、个人计算机系统、无线设备、无线接入点、基站、电话设备、台式计算机、膝上型计算机、笔记本电脑、上网本计算机、大型计算机系统、手持计算机、工作站、网络计算机、应用服务器、存储设备、消费电子设备(诸如相机、摄像机、机顶盒、移动设备、视频游戏控制台、手持视频游戏设备)、外围设备(诸如交换机、调制解调器、路由器、机顶盒、内容管理设备、手持遥控设备)、任何类型的计算或电子设备等。计算机系统1450可以驻留在任何位置或者可以被包括在任何网络环境中的任何合适的资源中以实现本文中讨论的功能。
现在将通过图13中的流程图讨论不同资源支持的功能。注意，以下流程图中的步骤可以以任何合适的顺序执行。
图13是示出根据本文中的实施例的示例方法的流程图1300。注意，如上所述，在概念方面会有一些重叠。
在处理操作1310中，控制器140接收指示与为负载118供电的功率转换器111的输出电流122相关联的纹波电流的目标纹波电流值。
在处理操作1320中，控制器140的开关频率选择器根据所接收的目标纹波电流值TRCV的大小来选择操作功率转换器121的开关频率SF。
在处理操作1330中，控制器将所选择的开关频率SF应用于功率转换器121中的开关Qx，以产生具有由目标纹波电流值TRCV指示的纹波电流的输出电流122。
图14是示出根据本文中的实施例的在电路板上制造功率转换器电路的示例图。
在该示例实施例中，组装器1540接收基板1510(例如，电路板)。
组装器1540将电源100(以及对应组件，诸如控制器140、开关频率选择器141、功率转换器111、一个或多个快速电容器、开关125、功率转换器111等，如前所述)固定到基板1510。一个或多个电路路径1521提供本文中讨论的不同组件之间的连接。通过电路路径1522(例如，一个或多个迹线、电缆、电线等)，组装器1540将电源100耦合到负载118。在一个实施例中，电路路径1522将输出电压123和对应生成的输出电流122传输到负载118。
因此，本文中的实施例包括一种系统，该系统包括：基板1510(诸如电路板、独立板、母板、旨在耦合到母板的独立板等)；电源100，其包括本文中描述的对应组件(例如，控制器140、功率转换器111和对应组件)；以及负载118。如上所述，负载118基于从电源100到负载118的一个或多个电路路径1522上的输出电压123和对应输出电流122的传输而被供电。
注意，本文中的另外的实施例包括一种系统(如图14所示)，该系统包括：电路基板1510和设置在基板1510上或相对于基板1510远程定位的负载118。电源100(装置)和对应组件直接固定到电路基板1510或基板1510的插座或子组件(诸如插座等)。电源100通过输出电压123(例如，通过一个或多个电路路径1522)为负载118供电。
注意，负载118可以是任何合适的电路或硬件，例如一个或多个CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)和ASIC(专用集成电路，例如包括一个或多个人工智能加速器的专用集成电路)，其可以位于基板1510上或设置在远程位置。
再次注意，本文中的技术非常适合在电源应用中使用。然而，应当注意，本文中的实施例不限于在这样的应用中使用，并且本文中讨论的技术也很适合于其他应用。
虽然已经参考本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。这样的变化旨在被本申请的范围覆盖。因此，本申请的实施例的前述描述不旨在限制。相反，对本发明的任何限制在以所附利要求中给出。

Claims (27)

1.一种装置，包括：
控制器，操作用于：
接收目标纹波电流值，所述目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电流相关联的纹波电流；
根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作所述功率转换器的开关频率；以及
将所选择的开关频率应用于所述功率转换器中的开关以产生具有由所述目标纹波电流值指示的纹波电流的大小的所述输出电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率转换器操作用于基于输入电压产生所述输出电流；
其中所述目标纹波电流值针对所述输入电压的不同大小是恒定纹波电流值；以及
其中所述控制器操作用于改变施加到所述开关的所述开关频率的大小，使得与所述功率转换器的所述输出电流相关联的所述纹波电流针对所述输入电压的所述不同大小等于所述恒定纹波电流值。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述目标纹波电流值的大小至少部分基于由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小而变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器操作用于基于所述目标纹波电流值和由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小，来导出所选择的开关频率。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述输出电流包括DC电流分量和AC峰间电流分量，所述纹波电流是所述AC峰间电流分量；以及
其中所述AC峰间电流分量的大小小于所述DC电流分量的大小的50％。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器还操作用于基于所接收的目标纹波电流值的所述大小和所述功率转换器的电感，选择操作所述功率转换器以产生所述输出电流的所述开关频率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述纹波电流值的大小至少部分基于减少与所述功率转换器相关联的开关损耗来选择。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率转换器操作用于将输入电压转换为所述输出电流；以及
其中所述控制器还操作用于当在所述输入电压的不同大小范围内生成所述输出电流时防止所述开关频率下降到阈值水平以下。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率转换器是具有多于2个电平的多级降压转换器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率转换器操作用于将输入电压转换为所述输出电流；
其中所述控制器操作用于在所述输入电压的所述大小高于阈值水平的条件下以第一模式操作所述功率转换器，所述第一模式操作用于在第一电压电平与第二电压电平之间切换以产生所述输出电流；以及
其中所述控制器操作用于在所述输入电压的所述大小低于所述阈值水平的条件下以第二模式操作所述功率转换器，所述第二模式操作用于在所述第二电压电平与第三电压电平之间切换以产生所述输出电流。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器还操作用于：
基于以下项来产生第一调制指数值m_real：i)所述输出电压的大小，以及ii)由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小；以及
基于所述第一调制指数值导出所述开关频率。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一调制指数值m_real等于Vout/Vin，其中Vout是向所述负载提供所述输出电流的所述功率转换器的输出电压的大小，其中Vin是所述输入电压的大小；
其中所述控制器还操作用于产生第二调制指数值m_eff，所述第二调制指数值m_eff等于m_reak x MODULO x(1/N_cells)，其中N_cells＝N_levels-1，其中N_levels等于由所述功率转换器支持以产生所述输出电压的不同电压的数目；
其中所述开关频率为f_sw；以及
其中：
f_sw＝Vin/(Δi·L)·m_eff·(1/N_cells-m_eff)，
其中Δi＝所述目标纹波电流值，以及
其中L＝在所述功率转换器中实现以将所述输入电压转换为所述输出电流的电感的大小。
13.一种系统，包括：
电路基板；以及
其中根据权利要求1所述的装置固定到所述电路基板，并且经由所述输出电流为所述负载供电。
14.一种方法，包括：
接收电路基板；以及
在所述电路基板上制造根据权利要求1所述的装置。
15.一种方法，包括：
接收目标纹波电流值，所述目标纹波电流值指示与为负载供电的功率转换器的输出电流相关联的纹波电流；
根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作所述功率转换器的开关频率；以及
将所选择的开关频率应用于所述功率转换器中的开关，以产生具有由所述目标纹波电流值指示的所述纹波电流的所述输出电流。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于输入电压产生所述输出电流，所述目标纹波电流值针对所述输入电压的不同大小是恒定纹波电流值；以及
改变施加到所述开关的所述开关频率的大小，使得与所述功率转换器的所述输出电流相关联的所述纹波电流针对所述输入电压的所述不同大小等于所述恒定纹波电流值。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述目标纹波电流值的大小至少部分基于由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小而变化。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于所述目标纹波电流值和由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小来导出所选择的开关频率。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述输出电流包括DC电流分量和AC峰间电流分量，所述纹波电流是所述AC峰间电流分量；以及
其中所述AC峰间电流分量的大小小于所述DC电流分量的大小的50％。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于所接收的目标纹波电流值的所述大小和所述功率转换器的电感来选择操作所述功率转换器以产生所述输出电流的所述开关频率。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括：
至少部分基于减少与所述功率转换器相关联的开关损耗来选择所述纹波电流值的大小。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括：
控制所述功率转换器将输入电压转换为所述输出电流；以及
当在所述输入电压的不同大小范围内生成所述输出电流时防止所述开关频率下降到阈值水平以下。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述功率转换器是具有多于2个电平的多级降压转换器。
24.根据权利要求15所述的方法，还包括：
控制所述功率转换器将输入电压转换为所述输出电流；以及
在所述输入电压的所述大小高于阈值水平的条件下，控制所述功率转换器以第一模式操作，所述第一模式操作用于在第一电压电平与第二电压电平之间切换以产生所述输出电流；以及
在所述输入电压的所述大小低于所述阈值水平的条件下，控制所述功率转换器以第二模式操作，所述第二模式操作用于在所述第二电压电平与第三电压电平之间切换以产生所述输出电流。
25.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于以下项来产生第一调制指数值m_real：i)所述输出电压的大小，以及ii)由所述功率转换器转换为所述输出电流的输入电压的大小；以及
基于所述第一调制指数值导出所述开关频率。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一调制指数值m_real等于Vout/Vin，其中Vout是向所述负载提供所述输出电流的所述功率转换器的输出电压的大小，其中Vin是所述输入电压的大小；
所述方法还包括：
产生第二调制指数值m_eff，所述第二调制指数值m_eff等于m_reak MODULO(1/N_cells)，其中N_cells＝N_levels-1，其中N_levels等于由所述功率转换器支持以产生所述输出电压的不同电压的数目；
其中所述开关频率为f_sw；以及
其中：
f_sw＝Vin/(Δi·L)·m_eff·(1/N_cells-m_eff)，
其中Δi＝所述目标纹波电流值，以及
其中L＝在所述功率转换器中实现以将所述输入电压转换为所述输出电流的电感的大小。
27.一种其上存储有指令的计算机可读存储硬件，所述指令在由计算机处理器硬件执行时使所述计算机处理器硬件：
接收指示与为负载供电的功率转换器的输出电流相关联的纹波电流的目标纹波电流值；
根据所接收的目标纹波电流值的大小来选择操作所述功率转换器的开关频率；以及
将所选择的开关频率应用于所述功率转换器中的开关以产生具有由所述目标纹波电流值指示的所述纹波电流的所述输出电流。
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