CN118611432A - 非隔离电压调节变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子、负输入端子，正输入端子与负输入端子之间设有输入电容；设有至少一个电压变换单元组，电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器和第二耦合变压器、主控开关机构、正输出端子、负输出端子；第二耦合变压器副边异名端与第一耦合变压器副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件端部，第二耦合变压器副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件端部；第二耦合变压器副边异名端与第一耦合变压器副边同名端之间的线路连接正输出端子；第一耦合变压器原边与第二耦合变压器原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子、另一端连接至远端同步整流开关件的非接地端。
Description
技术领域
本发明涉及一种非隔离电压调节变换器。
背景技术
非隔离电压调节变换器可以实现降压、调压等功能，被广泛应用于数据中心电源、通信电源等场合。目前应用于数据中心的电压调节模块多采用倍流整流电路，其典型拓扑如图1和图2所示。相比于带中心抽头的全波整流电路，倍流整流电路具有耦合变压器绕组电流小，耦合变压器结构简单，输出电压纹波小等优势。
芯片技术的发展大幅提升了处理器的功率等级，受限于板卡面积和散热能力，未来用于数据中心的电源模块需要更高的效率和功率密度。如图1和图2所示，传统的倍流整流电路具有一个耦合变压器和两个分立的输出电感，较多的磁元件极大地限制了电源模块的功率密度提升，制约了该方案在未来更大功率处理器供电的应用前景。此外，面向人工智能超算处理器(GPU、CPU等)对变换器的动态特性提出了更高的要求，但是传统的倍流整流电路难以同时兼顾效率和动态响应。因为传统的倍流整流电路采用分立输出电感结构，一般输出电感感值需要设计较大以减小稳态电流纹波，从而提升电源模块效率。但是较大的输出电感感值会在负载跳变时极大限制电感电流的变化速率，使其难以快速匹配输出电流，从而降低了电源模块的动态响应速度，对处理器的性能造成影响。
因此，如何发展一种可改善上述现有技术的电源转换系统，实为目前迫切的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种非隔离电压调节变换器，该变换器可实现大直流降压比，大电流输出，相比于传统的倍流整流方案，该方案具有更快速动态响应、更宽电压调节范围，更低损耗，以及更高功率密度，特别适用于未来数据中心的板载供电电源。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子Vin+、负输入端子Vin-，负输入端子Vin-通过导线接地，正输入端子Vin+与负输入端子Vin-之间设有输入电容Cin；设有至少一个电压变换单元组；
电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2、主控开关机构、正输出端子Vo+、负输出端子Vo-；负输出端子Vo-通过导线接地；正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间设有输出电容Co；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件Q1端部，第二耦合变压器T2副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件Q2端部；远端同步整流开关件Q1、近端同步整流开关件Q2的另一端都接地；第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端之间的线路连接正输出端子Vo+；
第一耦合变压器T1原边与第二耦合变压器T2原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子Vin+、另一端连接至远端同步整流开关件Q1的非接地端；通过对主控开关机构进行脉宽调制控制使得第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2副边端电压高电平与低电平的占空比随之调节，配合远端同步整流开关件Q1和近端同步整流开关件Q2的开关以实现正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间电压变换功能。
作为一种优选的方案，所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间的导线相连接。
作为一种优选的方案，所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置第一隔直电容Cdc1的导线与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接，所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间通过设置第二隔直电容Cdc2的导线与所述第二耦合变压器T2原边的同名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的异名端与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接。
作为一种优选的方案，所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置隔直电容Cdc的导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接。
作为一种优选的方案，当只包含一个电压变换单元组的时候，第一主控开关件S1与第四主控开关件S4由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2与第三主控开关件S3由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
作为另一种优选的方案，当只包含一个电压变换单元组的时候，第一主控开关件S1由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
作为一种优选的方案，第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在同一磁芯上以使第一耦合变压器T1的第一激磁电感与第二耦合变压器T2的第二激磁电感形成耦合电感。
作为一种优选的方案，当包括N个电压变换单元组且N大于等于2时，相邻电压变换单元组的脉宽调制控制信号相互错相180/N度。
本发明的有益效果是：
本技术方案提出了一种基于耦合变压器的非隔离功率变换拓扑，可实现大直流降压比，大电流输出，具有超快速动态响应以及超高功率密度。首先，基于差分功率处理概念，本技术方案提出了一种非隔离功率变换器及其衍生拓扑。相比于传统的隔离倍流整流电路，在耦合变压器匝比相同时本技术方案可以实现更宽的降压范围和更低的开关电流应力。在低压大电流应用场合，本技术方案可以大幅降低开关器件的损耗，提升变换器效率。
其次，本技术方案通过磁集成技术，将传统的倍流整流电路中的输出电感集成为耦合变压器的等效激磁电感，耦合变压器绕组绕制在同一磁芯柱上，从而极大减小了磁元件体积，大幅提升了变换器的功率密度，使其适用于数据中心等对电源模块尺寸要求严格的应用场合；
此外，本技术方案提出了一种耦合变压器的磁设计方案，通过耦合变压器激磁等效激磁电感的反向耦合，在负载突变时电路的等效激磁电感降低，电流变化速率增大，可以更快地匹配输出所需电流，实现更小的输出电压波动。同时，反向耦合等效激磁电感增大了稳态时的等效激磁电感，显著降低了电流纹波，极大地提升了变换器的效率，对整个系统的热设计也提供了极大便利；
本技术方案所提出的变换器可以配置多个变换器交错并联，通过错相控制进一步减小输出电压纹波，提升系统的输出电流能力。总结以上，本技术方案特别适用于数据中心、服务器电源中的非隔离高密电源模块应用场景。
附图说明
图1为一种全桥倍流整流电路拓扑；
图2为一种半桥倍流整流电路拓扑；
图3为本非隔离电压调节变换器拓扑；
图4为本非隔离电压调节变换器的一种衍生拓扑；
图5为本非隔离电压调节变换器的另一种衍生拓扑；
图6为本非隔离电压调节变换器及其衍生拓扑耦合变压器电路示意图；
图7为本非隔离电压调节变换器及其衍生拓扑的控制时序图；
图8为本非隔离电压调节变换器及其衍生拓扑耦合变压器磁芯示意图；
图9为本非隔离电压调节变换器及其衍生拓扑耦合变压器示意图；
图10为本非隔离电压调节变换器及其衍生拓扑耦合变压器磁路示意图；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
实施例1，如图3所示，一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子Vin+、负输入端子Vin-，负输入端子Vin-通过导线接地，正输入端子Vin+与负输入端子Vin-之间设有输入电容Cin；设有至少一个电压变换单元组，
电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2、主控开关机构、正输出端子Vo+、负输出端子Vo-；负输出端子Vo-通过导线接地；正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间设有输出电容Co；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件Q1端部，第二耦合变压器T2副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件Q2端部；远端同步整流开关件Q1、近端同步整流开关件Q2的另一端都接地；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端之间的线路连接正输出端子Vo+；第一耦合变压器T1原边与第二耦合变压器T2原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子Vin+、另一端连接至远端同步整流开关件Q1的非接地端；
通过对主控开关机构进行脉宽调制控制使得第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2副边端电压高电平与低电平的占空比随之调节，配合远端同步整流开关件Q1和近端同步整流开关件Q2的开关以实现正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间电压变换功能。
所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间的导线相连接。
第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在同一磁芯上以使第一耦合变压器T1的第一激磁电感与第二耦合变压器T2的第二激磁电感形成耦合电感。
如图6所示，L1为第一耦合变压器T1的等效激磁电感，L2为第二耦合变压器T2的等效激磁电感。
如图7所示，第一主控开关件S1与第四主控开关件S4由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2与第三主控开关件S3由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
当第一主控开关件S1与第四主控开关件S4导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L2电压为-Vo；Vin与Vo分别为电源模块的输入电压和输出电压。
当第二主控开关件S2与第三主控开关件S3导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过远端同步整流开关件Q1续流。等效激磁电感L2电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L1电压为-Vo。
当第一主控开关件S1、第二主控开关件S2、第三主控开关件S3、第四主控开关件S4均关断时，等效激磁电感L1电流通过远端同步整流开关件Q1续流，等效激磁电感L2电流通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压与等效激磁电感L2电压均为-Vo。
假设PWM控制信号一和PWM控制信号二占空比为D，D的范围应为0-0.5。将伏秒平衡应用于等效激磁电感，可得：
化简得到电压增益表达式：
图1所示的传统全桥倍流整流电路的电压增益表达式为：
根据公式(2)(3)，可见，对于相同的耦合变压器变比n和占空比D，本技术方案提出的非隔离电压调节变换器拓扑可以实现更大的降压比例，在低压大电流供电场景具备显著优势。
实施例2，如图4所示，一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子Vin+、负输入端子Vin-，负输入端子Vin-通过导线接地，正输入端子Vin+与负输入端子Vin-之间设有输入电容Cin；设有至少一个电压变换单元组，
电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2、主控开关机构、正输出端子Vo+、负输出端子Vo-；负输出端子Vo-通过导线接地；正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间设有输出电容Co；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件Q1端部，第二耦合变压器T2副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件Q2端部；远端同步整流开关件Q1、近端同步整流开关件Q2的另一端都接地；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端之间的线路连接正输出端子Vo+；第一耦合变压器T1原边与第二耦合变压器T2原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子Vin+、另一端连接至远端同步整流开关件Q1的非接地端；
通过对主控开关机构进行脉宽调制控制使得第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2副边端电压高电平与低电平的占空比随之调节，配合远端同步整流开关件Q1和近端同步整流开关件Q2的开关以实现正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间电压变换功能。
所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置第一隔直电容Cdc1的导线与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接，所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间通过设置第二隔直电容Cdc2的导线与所述第二耦合变压器T2原边的同名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的异名端与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接。
第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在同一磁芯上以使第一耦合变压器T1的第一激磁电感与第二耦合变压器T2的第二激磁电感形成耦合电感。
如图6所示，L1为第一耦合变压器T1的等效激磁电感，L2为第二耦合变压器T2的等效激磁电感。
如图7所示，第一主控开关件S1与第四主控开关件S4由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2与第三主控开关件S3由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
当第一主控开关件S1与第四主控开关件S4导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L2电压为-Vo；Vin与Vo分别为电源模块的输入电压和输出电压。
当第二主控开关件S2与第三主控开关件S3导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过远端同步整流开关件Q1续流。等效激磁电感L2电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L1电压为-Vo。
当第一主控开关件S1、第二主控开关件S2、第三主控开关件S3与第四主控开关件S4均关断时，等效激磁电感L1电流通过远端同步整流开关件Q1续流，等效激磁电感L2电流通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压与等效激磁电感L2电压均为-Vo。
假设PWM控制信号一和PWM控制信号二占空比为D，D的范围应为0-0.5。将伏秒平衡应用于等效激磁电感，可得：
化简得到电压增益表达式：
图1所示的传统全桥倍流整流电路的电压增益表达式为：
根据公式(5)(6)，可见，对于相同的耦合变压器变比n和占空比D，本技术方案提出的非隔离电压调节变换器拓扑可以实现更大的降压比例，在低压大电流供电场景具备显著优势。
实施例3，如图5所示，一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子Vin+、负输入端子Vin-，负输入端子Vin-通过导线接地，正输入端子Vin+与负输入端子Vin-之间设有输入电容Cin；设有至少一个电压变换单元组，
电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2、主控开关机构、正输出端子Vo+、负输出端子Vo-；负输出端子Vo-通过导线接地；正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间设有输出电容Co；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件Q1端部，第二耦合变压器T2副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件Q2端部；远端同步整流开关件Q1、近端同步整流开关件Q2的另一端都接地；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端之间的线路连接正输出端子Vo+；第一耦合变压器T1原边与第二耦合变压器T2原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子Vin+、另一端连接至远端同步整流开关件Q1的非接地端；
通过对主控开关机构进行脉宽调制控制使得第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2副边端电压高电平与低电平的占空比随之调节，配合远端同步整流开关件Q1和近端同步整流开关件Q2的开关以实现正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间电压变换功能。
所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置隔直电容Cdc的导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接。
第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在同一磁芯上以使第一耦合变压器T1的第一激磁电感与第二耦合变压器T2的第二激磁电感形成耦合电感。
如图6所示，L1为第一耦合变压器T1的等效激磁电感，L2为第二耦合变压器T2的等效激磁电感。
负输入端子Vin-通过接线与负输出端子Vo-相连接地；
正输入端子与负输入端子之间设有输入电容Cin；正输出端子与负输出端子之间设有输出电容Co；
如图7所示，第一主控开关件S1由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
当第一主控开关件S1导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L2电压为-Vo；Vin与Vo分别为电源模块的输入电压和输出电压。
当第二主控开关件S2导通时，等效激磁电感L1电流和等效激磁电感L2电流均通过远端同步整流开关件Q1续流。等效激磁电感L2电压为其中n＝n1/n2为耦合变压器的匝比；等效激磁电感L1电压为-Vo。
当第一主控开关件S1、第二主控开关件S2、第三主控开关件S3、第四主控开关件S4均关断时，等效激磁电感L1电流通过远端同步整流开关件Q1续流，等效激磁电感L2电流通过近端同步整流开关件Q2续流。等效激磁电感L1电压与等效激磁电感L2电压均为-Vo。
假设PWM控制信号一和PWM控制信号二占空比为D，D的范围应为0-0.5。将伏秒平衡应用于等效激磁电感，可得：
化简得到电压增益表达式：
图2所示的传统半桥倍流整流电路的电压增益表达式为：
根据公式(8)(9)，可见，对于相同的耦合变压器变比n和占空比D，本技术方案提出的非隔离电压调节变换器拓扑可以实现更大的降压比例，在低压大电流供电场景具备显著优势。
以上三组实施例的耦合变压器实施方法如下。
第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在如图8所示的同一磁芯上。磁芯由边柱11、边柱12、中柱13、上板14、下板15组成，一般选用铁氧体或粉芯等磁性材料。耦合变压器绕组电流正方向标于图6。如图9所示，第一耦合变压器T1原副边绕组绕制在磁芯柱11上，其流过的原边电流ip1与副边电流is1产生的磁通方向一致；第二耦合变压器T2原副边绕组绕制在磁芯柱12上，其流过的原边电流ip2与副边电流is2产生的磁通方向相反；副边电流is1在磁芯柱11与副边电流is2在磁芯柱12产生的磁通方向相同，这样可以实现等效激磁电感L1与L2的反向耦合。耦合变压器的磁阻模型如图10所示，Rl为边柱磁阻，Rc为中柱磁阻，为第一耦合变压器T1在磁芯柱11产生的磁通，为第二耦合变压器T2在磁芯柱12产生的磁通，二者错相180度，其波形如图7所示。
对于图9所示的磁阻模型，自感L为：
互感M为：
耦合系数α为：
稳态等效激磁电感Lss为：
其中D'＝1-D，瞬态等效激磁电感Ltr为：
Ltr＝(1+α)L (14)
通过设计占空比D和耦合系数，反向耦合可以增加稳态等效激磁电感Lss，从而减小稳态时激磁等效激磁电感电流纹波，提升变换器效率；同时，反向耦合可以降低动态时的瞬态等效激磁电感Ltr，在负载突变时电流变化速率增大，可以更快地匹配输出所需电流，实现更小的输出电压波动。举例而言，占空比D＝0.4，耦合系数α＝-0.4时，稳态等效激磁电感Lss与自感L比值为1.15，瞬态等效激磁电感Ltr与自感L比值为0.6，如果自感设计为60nH，稳态等效激磁电感Lss为69nH，瞬态等效激磁电感Ltr为36nH，这样的设计可以提升变换器效率和动态响应速度。
需要说明的是，本技术发明的非隔离电压调节变换器可进行移相交错并联，当包括N个电压变换单元组且N大于等于2时，相邻电压变换单元组的脉宽调制控制信号相互错相180/N度。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非隔离电压调节变换器，包括正输入端子Vin+、负输入端子Vin-，负输入端子Vin-通过导线接地，正输入端子Vin+与负输入端子Vin-之间设有输入电容Cin；设有至少一个电压变换单元组，其特征在于：
所述电压变换单元组包括原副边匝比为n1:n2的第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2、主控开关机构、正输出端子Vo+、负输出端子Vo-；负输出端子Vo-通过导线接地；正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间设有输出电容Co；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端串联连接后通过导线连接在远端同步整流开关件Q1端部，第二耦合变压器T2副边同名端通过导线连接近端同步整流开关件Q2端部；远端同步整流开关件Q1、近端同步整流开关件Q2的另一端都接地；
第二耦合变压器T2副边异名端与第一耦合变压器T1副边同名端之间的线路连接正输出端子Vo+；第一耦合变压器T1原边与第二耦合变压器T2原边通过主控开关机构使其一端连接至正输入端子Vin+、另一端连接至远端同步整流开关件Q1的非接地端；
通过对主控开关机构进行脉宽调制控制使得第一耦合变压器T1和第二耦合变压器T2副边端电压高电平与低电平的占空比随之调节，配合远端同步整流开关件Q1和近端同步整流开关件Q2的开关以实现正输出端子Vo+与负输出端子Vo-之间电压变换功能。
2.如权利要求1所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间的导线相连接。
3.如权利要求1所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1以及一端与正输入端子Vin+连接的第三主控开关件S3；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，第三主控开关件S3通过导线与第四主控开关件S4相连接，第四主控开关件S4与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置第一隔直电容Cdc1的导线与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接，所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接；
第三主控开关件S3与第四主控开关件S4之间通过设置第二隔直电容Cdc2的导线与所述第二耦合变压器T2原边的同名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的异名端与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接。
4.如权利要求1所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：所述主控开关机构包括一端与正输入端子Vin+连接的第一主控开关件S1；第一主控开关件S1通过导线与第二主控开关件S2相连接，第二主控开关件S2与所述第二耦合变压器T2副边的同名端相连接，
第一主控开关件S1与第二主控开关件S2之间通过设置隔直电容Cdc的导线与所述第二耦合变压器T2原边的异名端相连接，所述第二耦合变压器T2原边的同名端与所述第一耦合变压器T1原边的异名端相连接；所述第一耦合变压器T1原边的同名端与所述第一耦合变压器T1副边的异名端相连接。
5.如以上权利要求2或3所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：当只包含一个电压变换单元组的时候，第一主控开关件S1与第四主控开关件S4由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2与第三主控开关件S3由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
6.如以上权利要求4所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：当只包含一个电压变换单元组的时候，第一主控开关件S1由PWM信号一控制其开通关断，第二主控开关件S2由PWM信号二控制其开通关断，PWM信号一与PWM信号二相互错相180度；远端同步整流开关件Q1由PWM信号三控制其开通关断，PWM信号三与PWM信号一为互补信号；近端同步整流开关件Q2由PWM信号四控制器开通关断，PWM信号四与PWM信号二为互补信号。
7.如以上权利要求1-4任一项所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：第一耦合变压器T1与第二耦合变压器T2绕制在同一磁芯上以使第一耦合变压器T1的第一激磁电感与第二耦合变压器T2的第二激磁电感形成耦合电感。
8.如以上权利要求7所述的一种非隔离电压调节变换器，其特征在于：当包括N个电压变换单元组且N大于等于2时，相邻电压变换单元组的脉宽调制控制信号相互错相180/N度。
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