DE102006034553A1 - Multiphasen Abwärtswandler mit einer Mehrzahl von gekoppelten Induktoren - Google Patents

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Abstract

Ein Mehr-Phasenwandler aufweisend 2N+1 Spulen; und 2N+1 schaltende Wandler parallel verbunden und jeder einen geschalteten Knoten aufweisend; wobei N eine gerade Integerzahl ist, ein Paar von den Spulen ist gekoppelt und über einen gemeinsamen Kern gewickelt und jeder diese gekoppelte Spule ist an einem Pol davon mit einem entsprechendem geschaltetem Knoten und an einem anderen Pol davon mit einem Ausgangsknoten verbunden und zumindest eine der Spulen ist von den anderen Spulen entkoppelt.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der Vereinigte Staaten Provisional Anmeldung mit der Nr. 60/702,521, mit dem Titel MULTI-PHASE BUCK CONVERTER DESIGN WITH 2 PHASE COUPLED INDUCTOR, eingereicht am 26. Juli 2005, deren Priorität hiermit beansprucht wird und deren Offenbarung durch Bezugnahme einbezogen wird.
  • FELD DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungsversorgungsschaltkreise und insbesondere Mehr-Phasen-Leistungswandler.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf 1A, weist ein Zwei-Phasen-Abwärtswandler (buck converter) zwei parallel verbundene Wandler auf, jeder einen ersten Steuerschalter S1, S2 und einen Shunt Schalter SH aufweisend, welche miteinander an einem geschalteten Knoten 10 verbunden sind. Eine Spule 12 ist mit jedem entsprechenden geschalteten Knoten 10 an einem Pol davon und mit einem Ausgangsknoten 14 an einem anderen Pol davon verbunden. Spulen 12 in 1A sind nicht magnetisch miteinander gekoppelt, d. h. sie teilen keinen gemeinsamen Kern.
  • 1B zeigt einen Zwei-Phasen-Abwärtswandler, in welchem Spulen 12 miteinander gekoppelt sind, was bedeutet, dass Spulen 12 invers verbunden und über einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.
  • Es ist bekannt, dass Stromauslöschung in einem Mehrphasen-Spannungsregler, wie zum Beispiel einem Mehr-Phasen-Abwärtswandler, zu der Reduzierung der Welligkeit in dem Ausgangsstrom führen kann.
  • Stromauslöschung in einem Mehr-Phasen-Abwärtswandler kann auf die Spulen und die Schalter durch Mehr-Phasen-Spulenkopplung erweitert werden. Z. B. kann in einem Zwei-Phasen Abwärtswandler, wie in 1C gezeigt, Realisieren von gekoppelten Spulen ( 1B) effektiv den Spitze-zu-Spitze-Strom reduzieren, der durch die Spulen fließt. Daher können, ohne auf Dynamikperformance zu verzichten, geringere Verluste in einem eingeschwungenen Zustand erwartet werden, wenn gekoppelte Spulen benutzt werden. Darüber hinaus, kann, wenn die Spulen gekoppelt sind, verglichen mit einem Mehr-Phasen-Abwärtswandler, in welchem die Spulen nicht gekoppelt sind (1A), die Größe der Spulen reduziert werden ohne mehr Welligkeitsstrom zu veranlassen. Daher kann schnellere Übergangsantwort erwartet werden, ohne Wandler-Effizienz zu opfern.
  • Ein typischer Mehr-Phasen-Wandler gemäß dem Stand der Technik kann mehr als zwei Spulen aufweisen, welche um einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Solch eine Anordnung ist inhärent asymmetrisch, was bedeutet, dass seine Phasen nicht-identische magnetische Charakteristiken aufweisen. Die Variation in den magnetischen Charakteristiken kann zu subharmonischer Ausgangswelligkeit führen.
  • Es ist wünschenswert, die subharmonische Ausgangswelligkeit in einem Mehr-Phasen-Wandler zu reduzieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Mehr-Phasenwandler bereitzustellen, welcher weniger Tendenz aufweist, subharmonische Welligkeiten in dem Ausgangsstrom davon zu erzeugen.
  • Ein Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Mehrzahl von parallel verbundenen Wandlern auf, jeder an dem geschalteten Knoten davon in Serie mit einer entsprechenden Spule verbunden, wobei die Wandler derart angeordnet sind, dass jedes Paar von Wandlern mit einer entsprechenden von zwei Spulen verbunden ist, welche invers verbunden und um einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Daher weist ein Mehr-Phasen-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest ein Paar von parallel verbundenen Wandlern auf, assoziiert mit einem Paar von gekoppelten Spulen oder einer Mehrzahl von Paaren von Parallelwandlern, wobei jedes Paar mit einem Paar von gekoppelten Spulen assoziiert ist.
  • Eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft darin, dass ein Paar von gekoppelten Spulen physikalisch symmetrisch ist und konfiguriert sein kann, identische magnetische Charakteristiken aufzuweisen, wodurch subharmonische Welligkeit (subharmonic ripple) durch Asymmetrie in dem Ausgangsstrom reduzieren wird.
  • In einem Spannungsregler hängt die Phasenanzahl von den Optimierungskompromissen der Effizienz, Kosten usw. ab. Um die Stromdimensionierung zu erhöhen, ist es bevorzugt mehr Phasen hinzuzufügen. Die Anzahl der Phasen ist jedoch nicht immer gerade. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine ungerade Anzahl von parallelen Wandlern bereitgestellt, wobei zumindest eine der Spulen nicht mit den anderen Spulen gekoppelt ist, während die anderen Wandler, wie oben erklärt, angeordnet sind, um symmetrische magnetische Eigenschaften aufzuweisen.
  • Für ungerade Phasen-Wandler kann eine geeignete Phasenverschiebung den möglichen Ausgangswelligkeitsstrom eliminieren. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Phasenverschiebungsschema implementiert, um die Welligkeit aufgrund der Anwesenheit der nicht gekoppelten Spule zu reduzieren.
    •
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, welche sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A zeigt einen Mehr-Phasen Wandler gemäß dem Stand der Technik.
  • 1B zeigt einen Mehr-Phasen Wandler gemäß dem Stand der Technik.
  • 1C stellt graphisch einen Vergleich zwischen den Welligkeitsströmen des Wandlers der 1A und des Wandlers der 1B dar.
  • 2 zeigt einen Mehr-Phasen Abwärtswandler gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt graphisch ein Steuerschema zum Erregen der Steuerschalter eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4 stellt graphisch das Verhältnis der Magnetisierungsinduktivität zur Leckinduktivität von gekoppelten Spulen (k) gegenüber dem Wert einer Stromdifferenz in den gekoppelten Spulen (delata I) dar.
  • 5A–6C zeigen berechnete Wellenformen für einen Vier-Phasenwandler und entsprechend für einen Fünf-Phasenwandler gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 7A–8B zeigen simulierte Wellenformen für einen Vier-Phasenwandler und entsprechend einen Fünf-Phasenwandler gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 9 zeigt eine Wellenform, welche experimentell von einem Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf 2, weist ein Mehr-Phasen Abwärtswandler gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von parallel verbundenen Wandlern 20 auf. Jeder Wandler 20 weist bevorzugt einen Steuerschalter S1 bis S2N+1 auf, der zwischen Leistungseingangsknoten Vin und geschaltetem Knoten 14 verbunden ist, und einen Shunt Schalter SH1 bis SH2N+1, welcher zwischen zugehörigem geschaltetem Knoten 10 und Erde verbunden ist. Ein Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Mehrzahl von Spulen L1 bis L2N+1 auf, wobei jede an einem seiner Pole mit einem zugehörigen geschalteten Knoten 10 und an einem anderen seiner Pole mit Ausgangsknoten 14 des Wandlers verbunden ist. Bevorzugt ist ein Ausgangskondensator 15 an einem seiner Pole mit Ausgangsknoten 15 und an einem anderen seiner Pole mit Erde verbunden.
  • Bevorzugt sind die Steuerschalter Leistungs-MOSFETs, obwohl andere Schalter, wie beispielsweise IGBTs, benutzt werden können, ohne von dem Umfang und dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist nicht mehr als ein Paar von Spulen gekoppelt und um einen gemeinsamen Kern gewickelt und jede solche Spule ist an einem ihrer Pole mit einem zugehörigen geschalteten Knoten und an einem anderen ihrer Pole mit einem Ausgangsknoten verbunden. Z. B. sind L1 und L2 gekoppelt und um einen gemeinsamen Kern gewickelt, und jeweils mit dem geschaltetem Knoten verbunden, welcher mit den Steuerschaltern S1 und S2 assoziiert ist. Es sei angemerkt, dass, wie hierin referenziert, das Koppeln von zwei Spulen bedeutet, dass die Spulen invers verbunden sind; d. h. antiparallel verbunden sind.
  • Ferner ist gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung Spule L2N+1 nicht mit den anderen Spulen gekoppelt. Daher wird eine Anzahl von N gekoppelter Spulen (d. h. zwei Phasenwandler mit gekoppelten Spulen) mit einer einzelnen entkoppelten Spule kombiniert, um einen hybriden Typ von Wandler zu erhalten.
  • Wenn N Zwei-Phasenwandler mit gekoppelten Spulen mit zumindest einer Phase mit einer nicht-gekoppelten Spule kombiniert werden, ergeben sich aus der magnetischen Kopplung Vorteile. Tatsächlich wird sich für L2N+1 → ∞ der Wandler wie ein 2 N Phasenwandler verhalten.
  • Nun auf 3 bezugnehmend wird in jedem Schaltzyklus jede Spule L1 bis L2N+1 sequenziell erregt, indem ihr assoziierter Steuerschalter S1 bis S2N+1 eingeschaltet wird. Z. B. wird L1 erregt, indem S1 eingeschaltet wird usw.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden, im Gegensatz zum Stand der Technik, die gekoppelten Spulen nicht im Abstand (apart) von 180 Grad erregt und alle Spulen werden nicht im Abstand (apart) von 360/N Grad erregt, wobei N die Anzahl der Spulen ist. Stattdessen werden die Spulen, um optimale Ergebnisse zu erhalten, gemäß dem folgenden Phasenverschiebeschema erregt, um den möglicherweise erhöhten Ausgangswelligkeitsstrom aufgrund des Drucks einer nicht-gekoppelten Spule zu eliminieren.
    • i) Phasenverschiebung für die zwei gekoppelten Spulen wird von Gleichung 1 bestimmt.
      Figure 00070001
      Diese Phasenverschiebung wird in 3 bei A gezeigt. wobei Lk die Leckinduktivität der gekoppelten Spule ist, und wobei L2k-1 und L2k (k = 1, 2...N) die gekoppelte Spule sind; d. h. die invers verbundenen Spulen, und S2k-1 und S2k stellen jeweils die Steuerschalter dar, welche mit den gekoppelten Spulen assoziiert sind. Z. B. würden in einem Mehr-Phasenwandler, der einen Wandler mit zwei Phasen aufweist, welche mit einem gekoppeltem Spulenpaar (N = 1) assoziiert sind, S1 und S2 jeweils mit gekoppelten Spulen L1 und L2 verbunden sein, während S3 mit L3, der entkoppelten Spule, verbunden wäre. Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel drei Phasen in dem Wandler vorhanden wären.
    • ii) Phasenverschiebung für die benachbarten Zwei-Phasenwandler außer für die Phase mit entkoppelter Spule wird durch Gleichung 2 ausgedrückt.
  • Figure 00080001
  • Diese Phasenverschiebung wird in 3 bei B gezeigt.
  • Mit solch einer Anordnung wird die Wandlerersatzinduktivität als Gleichung 3 abgeleitet.
  • Figure 00080002
  • Spitze-zu-Spitze-Welligkeitsstrom pro Phase für gekoppelte Spule wird durch Gleichung 4 gegeben.
    Figure 00080003
    wobei Vout die Ausgangsspannung ist, D das Tastverhältnis (duty ratio) ist, FS die Schaltfrequenz ist und k das Verhältnis der Magnetisierungsinduktivität über der Leckinduktivität für die gekoppelte Spule ist. Die bevorzugte Induktivität für die entkoppelte Spule L2N+1 wird durch Gleichung 5 ausgedrückt, um denselben Spitze-zu-Spitze-Strom zwischen all den Phasen zu erhalten.
  • Figure 00080004
  • Wandlerausgangswelligkeitsstrom wird in Gleichung 6 abgeleitet.
  • Figure 00090001
  • AUSLEGUNGSBEISPIEL
  • Auslegungsspezifikation:
    • Vin/Vout_no_load = 12V/1,335V;
    • Lastleitung Ro = 1,25 mohm;
    • Maximaler Ausgangsstrom Imax = 130 A;
    • Schaltfrequenz FS = 660 kHz
  • In diesem Beispiel werden ein Vierphasenwandler und ein Fünfphasenwandler verglichen. Um bei den Ausgangskapazitäten zu sparen, wurde als die Leckinduktivität für die gekoppelte Spule 65 nH gewählt. Betreffend Magnetisierungsinduktivität ist es bekannt, dass höhere Magnetisierungsinduktivität stärkeres Koppeln und bessere Stromwelligkeitsauslöschung ergibt. Jedoch je höher die Magnetisierungsinduktivität ist, desto leichter wird Sättigung erreicht, wenn es einen geringen DC Stromunterschied zwischen den zwei gekoppelten Phasen gibt. Aus 4 wird ein Wählen des Verhältnisses Magnetisierungsinduktivität über Leckinduktivität k = 3 einen guten Gebrauch des Koppelns machen und einen guten Kompromiss zwischen Koppeln und Robustheit gegen Kernsättigung geben. Für den Fünfphasenwandler basierend auf Gleichung 5 wurde für die entkoppelte Spule eine 120 nH kommerzielle Standard-Spule (commercial off the self = COTS Spule) gewählt, um einen ähnlichen (close) Spitze-zu-Spitze-Welligkeitsstrom zwischen all den Phasen zu haben.
  • Berechnete Wellenformen werden in 5A–5C (Vier-Phasenwandler) und 6A–6C (Fünf-Phasenwandler) präsentiert, und in 7A–7B (Vier-Phasenwandler) und 8A–8B (Fünf-Phasenwandler) werden simulierte Wellenformen gezeigt. Die Wellenformen deuten an, dass Welligkeitsstrom in jeder Phase signifikant reduziert worden ist.
  • EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE
  • Ein Vier-Phasenwandler ausgebildet mit zwei Zwei-Phasenwandlern mit gekoppelten Spulen wurde gebaut. Die Stromwellenform des Wandlers wird in 9 gezeigt. Die gemessene Wellenform beweist, dass wie erwartet der Phasenwelligkeitsstrom signifikant reduziert worden ist.
  • Ein Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann:
    • 1. RMS Strom pro Phase reduzieren, um Wandlereffizienz zu steigern;
    • 2. die Wandlerersatzinduktivität (converter equivalent inductance) reduzieren, um die geforderte Ausgangskapazität für Anwendung mit strengen Übergangsanforderungen zu minimieren;
    • 3. den Oberwellenausgangswelligkeitsstrom eliminieren; und
    • 4. die Begrenzung für Multi-Phasen Wandlerausbildung mit zwei phasengekoppelten Spulen eliminieren.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Relation zu speziellen Ausführungsbeispielen davon beschrieben worden ist, werden viele andere Variationen und Modifikationen und andere Verwendungen für Fachleute ersichtlich. Es ist daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die spezifische Offenbarung hierin limitiert wird, sondern nur von den anhängenden Ansprüchen.

Claims (20)

  1. Ein Mehr-Phasenwandler aufweisend: 2N + 1 Spulen; und 2N + 1 schaltende Wandler, parallel verbunden und jeder einen geschalteten Knoten aufweisen; wobei N eine gerade Integerzahl ist, wobei ein Paar der Spulen gekoppelt und über einen gemeinsamen Kern gewickelt ist und jede diese gekoppelte Spule ist an einem Pol davon mit einem zugehörigen geschalteten Knoten und an einem anderen Pol davon mit einem Ausgangsknoten verbunden und zumindest eine von den Spulen ist von den anderen Spulen entkoppelt.
  2. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei die Wandler Abwärtswandler sind.
  3. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei jeder Wandler einen Steuerschalter aufweist, der zwischen einem Leistungseingang und dem geschalteten Knoten verbunden ist, und einen Shunt Schalter, der zwischen dem geschalteten Knoten und Erde verbunden ist.
  4. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 3, wobei die Steuerschalter und die Shunt Schalter Leistungs MOSFETs sind.
  5. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 3, wobei die Steuerschalter und die Shunt Schalter Leistungs IGBTs sind.
  6. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei Spulen in zumindest einem Paar und nur in Paaren an jeweils gemeinsame Kerne gekoppelt sind.
  7. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 6, wobei N zumindest 4 ist.
  8. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei die Spulen sequenziell erregt werden.
  9. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei N die Anzahl von Paaren gekoppelter Spulen ist und die gekoppelten Spulen mit einer Phasenwinkelverschiebung erregt werden, die von folgender Beziehung bestimmt wird:
    Figure 00130001
    wobei ϕ der Phasenwinkel ist und Lk die Leckinduktivität der gekoppelten Spulen ist.
  10. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 1, wobei N die Anzahl der gekoppelten Spulen ist und zwei benachbarte Paare gekoppelter Spulen mit einer Phasenwinkelschiebung erregt werden, die von der folgenden Beziehung bestimmt wird:
    Figure 00130002
    wobei φ der Phasenwinkel ist und Lk die Leckinduktivität der gekoppelten Spulen ist.
  11. Ein Mehr-Phasenwandler aufweisend: eine Mehrzahl von Spulen; eine Mehrzahl von schaltenden Wandlern, die parallel verbunden sind und jeder einen geschalteten Knoten aufweisend; wobei die Spulen in zumindest einem Paar und nur in Paaren über zugehörige gemeinsame Kerne gekoppelt sind und jede der gekoppelten Spule ist an einem Pol davon mit einem zugehörigen geschalteten Knoten und an einem anderen Pol davon mit einem Ausgangsknoten verbunden, und zumindest eine der Spulen ist von den anderen Spulen entkoppelt.
  12. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei es 2N + 1 Spulen gibt und N eine gerade Integerzahl ist und nicht mehr als eine der Spulen entkoppelt ist.
  13. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei die Wandler Abwärtswandler sind.
  14. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei jeder Wandler einen Steuerschalter aufweist, der zwischen einem Leistungseingang und dem geschalteten Knoten verbunden ist, und einen Shunt Schalter, der zwischen dem geschalteten Knoten und Erde verbunden ist.
  15. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 14, wobei die Steuerschalter und die Shunt Schalter Leistungs MOSFETs sind.
  16. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 14, wobei die Steuerschalter und die Shunt Schalter Leistungs IGBTs sind.
  17. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei N zumindest 4 ist.
  18. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei die Spulen sequenziell erregt werden.
  19. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei N die Anzahl von Paaren gekoppelter Spulen ist und wobei die gekoppelten Spulen mit einer Phasenwinkelverschiebung erregt werden, die von folgender Beziehung bestimmt wird:
    Figure 00150001
    wobei ϕ der Phasenwinkel ist und Lk die Leckinduktivität der gekoppelten Spulen ist.
  20. Der Mehr-Phasenwandler nach Anspruch 11, wobei N die Anzahl gekoppelter Spulen ist und zwei benachbarte Paare gekoppelter Spulen mit einer Phasenwinkelverschiebung erregt werden, die durch die folgende Beziehung bestimmt wird:
    Figure 00150002
    wobei das ϕ der Phasenwinkel ist und Lk die Leckinduktivität der gekoppelten Spulen ist.
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