CN117439406B - 一种高转换比的三电流路径混合降压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转换比的三电流路径混合降压变换器，涉及电压转换技术，针对现有技术中双电感存在的问题提出本方案。在电感磁化期间，利用前置于电感的若干飞电容分担电感的电压以降低开关节点的电压摆幅，进而减小电感的电流纹波和AC损耗；在电感退磁期间，所述若干飞电容构成两路容性电流路径以减小电感的电流应力。优点在于，采用了单电感双相工作，因此不需要相位交错，实现稳态全范围占空比。同时通过引入容性电流路径，减小电感电流应力。合适地引入三个飞电容，有效降低了开关节点的电压摆幅，减小了电感电流纹波和AC损耗。由于变换器支持全范围的占空比，因此输出电压的最大值扩展到V_IN/4。

Description

一种高转换比的三电流路径混合降压变换器

技术领域

本发明涉及用于电压转换的电子器件，尤其涉及一种高转换比的三电流路径混合降压变换器。

背景技术

随着新能源汽车、通信、数据中心等行业的快速发展，为了缓解由于负载电流急剧增大导致的路径损耗，12V、24V和48V的母线电压得到了广泛应用；而负载终端(PoL)的电源电压由于工艺节点的进一步缩小而降低到1V甚至更低。因此，为了桥接母线和终端，高降压转换比的功率转换器得到了广泛的研究。

在CN116505774A中论述了传统半桥结构和DSD两种降压变换器的技术问题，从而改进出一种双电感的器件结构。但是该技术仍然存在以下技术缺陷：

1两个交叉连接的功率管仍需使用能承受高压V_IN的高压管；

2由于双电感需要错相充磁的特性，稳态工作时仍不支持占空比大于0.5，限制了输出电压范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种高转换比的三电流路径混合降压变换器，以解决上述现有技术存在的问题。

本发明中所述一种高转换比的三电流路径混合降压变换器，在电感磁化期间，利用前置于电感的若干飞电容分担电感的电压以降低开关节点的电压摆幅，进而减小电感的电流纹波和AC损耗；在电感退磁期间，所述若干飞电容构成两路容性电流路径以减小电感的电流应力。

包括九个晶体管、三个飞电容、一个电感以及一个负载模块，结构具体为：

第一功率管漏极连接输入电压，第一功率管源极分别连接第一飞电容第一极板以及第四功率管漏极；

第二功率管漏极分别连接第三功率管漏极以及第二飞电容第一极板，第二功率管源极分别连接第一飞电容第二极板以及第五功率管漏极；

第三功率管源极作为电压输出端通过负载模块接地；

第四功率管源极分别连接第三飞电容第一极板以及第七功率管漏极；

第五功率管源极以及第六功率管源极共地连接；

第六功率管漏极、第七功率管源极、第二飞电容第二极板以及电感第一端共点连接成为开关节点；

第八功率管源极分别连接第三飞电容第二极板以及第九功率管漏极，第八功率管漏极和电感第二端共点后连接电压输出端；

第九功率管源极接地；

第一功率管栅极、第二功率管栅极、第七功率管栅极以及第九功率管栅极分别连接第一控制信号；

第三功率管栅极、第四功率管栅极、第五功率管栅极、第六功率管栅极以及第八功率管栅极分别连接第二控制信号；

所述第一控制信号与所述第二控制信号反相。

本发明中所述一种高转换比的三电流路径混合降压变换器，其优点在于，采用了单电感双相工作，因此不需要相位交错，实现稳态全范围占空比。同时通过引入容性电流路径，减小电感电流应力。合适地引入三个飞电容，有效降低了开关节点的电压摆幅，减小了电感电流纹波和AC损耗。由于变换器支持全范围的占空比，因此输出电压的最大值扩展到V_IN/4。

附图说明

图1是本发明中所述三电流路径混合降压变换器的结构示意图。

图2是本发明中所述三电流路径混合降压变换器工作在电感充磁期间的电流方向示意图。

图3是本发明中所述三电流路径混合降压变换器工作在电感退磁期间的电流方向示意图。

图4是本发明中所述三电流路径混合降压变换器的时序示意图。

附图标记：

V_IN：输入电压；

V_O：输出电压；

V_CF1～V_CF3：第一至第三飞电容的两端电压；

V_g1～V_g9：第一至第九功率管的栅极电压；

Vx：开关节点电压；

I_L1：流经电感的电流；

L₁：电感；

M₁～M₉：第一至第九功率管；

C_F1～C_F3：第一至第三飞电容；

C_O：输出电容；

R_L：负载电阻。

具体实施方式

本发明中所述一种高转换比的三电流路径混合降压变换器在电感磁化期间，利用前置于电感L₁的若干飞电容分担电感L₁的电压以降低开关节点的电压摆幅，进而减小电感L₁的电流纹波和AC损耗；在电感退磁期间，所述若干飞电容构成两路容性电流路径以减小电感L₁的电流应力。此外，由于该变换器是单电感双相工作，因此不需要相位交错，稳态实现了全范围占空比。

包括九个晶体管、三个飞电容、一个电感以及一个负载模块，结构具体如图1所示：

第一功率管M₁漏极连接输入电压，第一功率管M₁源极分别连接第一飞电容C_F1第一极板以及第四功率管M₄漏极。

第二功率管M₂漏极分别连接第三功率管M₃漏极以及第二飞电容C_F2第一极板，第二功率管M₂源极分别连接第一飞电容C_F1第二极板以及第五功率管M₅漏极。

第三功率管M₃源极作为电压输出端通过负载模块接地。

第四功率管M₄源极分别连接第三飞电容C_F3第一极板以及第七功率管M₇漏极。

第五功率管M₅源极以及第六功率管M₆源极共地连接。

第六功率管M₆漏极、第七功率管M₇源极、第二飞电容C_F2第二极板以及电感L₁第一端共点连接成为开关节点。

第八功率管M₈源极分别连接第三飞电容C_F3第二极板以及第九功率管M₉漏极，第八功率管M₈漏极和电感L₁第二端共点后连接电压输出端。

第九功率管M₉源极接地。

第一功率管M₁栅极、第二功率管M₂栅极、第七功率管M₇栅极以及第九功率管M₉栅极分别连接第一控制信号。

第三功率管M₃栅极、第四功率管M₄栅极、第五功率管M₅栅极、第六功率管M₆栅极以及第八功率管M₈栅极分别连接第二控制信号。

所述第一控制信号与所述第二控制信号反相。其中负载模块由输出电容C_O和负责电阻R_L并联构成。

本发明中所述一种高转换比的三电流路径混合降压变换器原理在于：

电感充磁期间的状态如图2所示，第一功率管M₁、第二功率管M₂、第七功率管M₇以及第九功率管M₉导通，第三功率管M₃、第四功率管M₄、第五功率管M₅、第六功率管M₆以及第八功率管M₈关断。第一飞电容C_F1和第二飞电容C_F2与电感L₁串联，输入电压V_IN通过第一飞电容C_F1和第二飞电容C_F2给电感L₁充电，第三飞电容C_F3放电。在此期间，各飞电容分别承担部分输入电压应力，降低开关节点的电压摆幅，从而减小电感电流纹波以及AC损耗。另一方面各飞电容分别减小了各功率管的电压应力，因此各功率管均可以选用低压管。低压管的选用使得导通损耗和开关损耗均有效减小，从而提高电路效率。

电感退磁期间的状态如图3所示，第三功率管M₃、第四功率管M₄、第五功率管M₅、第六功率管M₆以及第八功率管M₈导通，第一功率管M₁、第二功率管M₂、第七功率管M₇以及第九功率管M₉关断。除了电感L₁所在的电流路径外，第二飞电容C_F2与负载模块、第一飞电容C_F1与第三飞电容C_F3电荷再分配分别构成两条额外的容性电流路径I_C1和I_C2。在此期间，各飞电容分别提供两条容性放电路径，降低了电感电流应力以及减小DCR损耗。

根据伏秒平衡，电压转换比说明在相同的电压转换比下，占空比D显著增大了。根据电荷守恒定律，电感电流/>

以常用的输入电压＝12V为例，输出电压为1V，2V和2.5V时，占空比分别扩展到0.2，0.5和0.71，以及平均电感电流分别降低16.6％，33.3％和41.7％。由于变换器支持全范围的占空比，因此输出电压的最大值扩展到VIN/4，此时占空比为1，输出电压为3V。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高转换比的三电流路径混合降压变换器，其特征在于，在电感磁化期间，利用前置于电感(L₁)的若干飞电容分担电感(L₁)的电压以降低开关节点的电压摆幅，进而减小电感(L₁)的电流纹波和AC损耗；在电感退磁期间，所述若干飞电容构成两路容性电流路径以减小电感(L₁)的电流应力；

包括九个晶体管、三个飞电容、一个电感以及一个负载模块，结构具体为：

第一功率管(M₁)漏极连接输入电压，第一功率管(M₁)源极分别连接第一飞电容(C_F1)第一极板以及第四功率管(M₄)漏极；

第二功率管(M₂)漏极分别连接第三功率管(M₃)漏极以及第二飞电容(C_F2)第一极板，第二功率管(M₂)源极分别连接第一飞电容(C_F1)第二极板以及第五功率管(M₅)漏极；

第三功率管(M₃)源极作为电压输出端通过负载模块接地；

第四功率管(M₄)源极分别连接第三飞电容(C_F3)第一极板以及第七功率管(M₇)漏极；

第五功率管(M₅)源极以及第六功率管(M₆)源极共地连接；

第六功率管(M₆)漏极、第七功率管(M₇)源极、第二飞电容(C_F2)第二极板以及电感(L₁)第一端共点连接成为开关节点；

第八功率管(M₈)源极分别连接第三飞电容(C_F3)第二极板以及第九功率管(M₉)漏极，第八功率管(M₈)漏极和电感(L₁)第二端共点后连接电压输出端；

第九功率管(M₉)源极接地；

第一功率管(M₁)栅极、第二功率管(M₂)栅极、第七功率管(M₇)栅极以及第九功率管(M₉)栅极分别连接第一控制信号；

第三功率管(M₃)栅极、第四功率管(M₄)栅极、第五功率管(M₅)栅极、第六功率管(M₆)栅极以及第八功率管(M₈)栅极分别连接第二控制信号；

所述第一控制信号与所述第二控制信号反相。