TW201735515A - 轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法 - Google Patents

轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201735515A
TW201735515A TW106108940A TW106108940A TW201735515A TW 201735515 A TW201735515 A TW 201735515A TW 106108940 A TW106108940 A TW 106108940A TW 106108940 A TW106108940 A TW 106108940A TW 201735515 A TW201735515 A TW 201735515A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
converter
mode
voltage
node
switches
Prior art date
Application number
TW106108940A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI636649B (zh
Inventor
帕夫 賈殷
亞歷山大 普羅迪克
亞歷山大 格菲
Original Assignee
沃思電子埃索斯有限責任兩合公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 沃思電子埃索斯有限責任兩合公司 filed Critical 沃思電子埃索斯有限責任兩合公司
Publication of TW201735515A publication Critical patent/TW201735515A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI636649B publication Critical patent/TWI636649B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/157—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

一種轉換器裝置(1)包括轉換器(2)和用於操作轉換器(2)的控制器(3)。轉換器(2)包括具有飛跨電容器(Cfly)的電抗元件。為了執行至少兩種不同的操作模式，轉換器(2)還包括七個開關(SW1至SW7)。控制器(3)的模式選擇邏輯(8)根據期望的操作條件來選擇操作模式中的一種。轉換器裝置(1)是高度靈活的，並且通過適當地選擇合適的操作模式來在整個操作範圍內實現高的功率處理效率。

Description

轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法 【交叉參考相關申請案】
藉由引用合併了歐洲專利申請EP 16 161 038.1的內容。
本申請關於一種用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置。此外，本申請亦關於一種操作轉換器裝置的方法。
在電子設備中，需要負載點(PoL)DC-DC轉換器將調節後的DC電壓提供給系統中的各種功能塊。一般而言，這些功能塊需要不同的電壓和功率位準，因此，每個塊使用專用的PoL轉換器。對於這些系統，定制設計的降壓(buck)轉換器被用作選擇的PoL轉換器。使用定制的降壓轉換器允許設計人員最大限度地提高效率，最小化每個降壓轉換器的體積，以及優化整個系統性能。然而，定制的降壓轉換器增加了系統級設計的複雜性和製造成本，並影響可靠性。例如，US 2008/0019158 A1公開了傳統的兩相交錯降壓轉換器(two-phase interleaved buck converter)。
本發明的目標是提供一種高度靈活的轉換器裝置，其能夠提供大範圍的電壓、轉換比和功率位準，且其功率處理效率高、體積小和動態性能好。
該目的通過一種根據本發明實施例的用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置來實現。本發明的轉換器裝置以可變換性原理來操作，該原理是指其基於操作條件來選擇其操作模式的能力。這種模式變化特性由七個開關、飛跨電容器(flying capacitor)和控制器來實現。具體地，控制器是數位控制器。具體地，轉換器正好包括七個開關，一方面能夠實現不同的操作模式，另一方面避免不必要的損耗。由於七個開關和飛跨電容器，因此本發明的轉換器裝置在下面也被稱為7-開關飛跨電容器轉換器裝置或7SFC轉換器裝置。相應地，本發明的轉換器也被稱為7-開關飛跨電容器轉換器或7SFC轉換器。根據操作條件，轉換器裝置可以在各種操作模式下操作，從而使在整個操作範圍內效率最大化。操作條件以輸入電壓、輸出電壓、所需的輸出電壓、輸出電流、所需的輸出電流、轉換比或占空比中的至少一個為特徵。例如，可以提供以下操作模式中的至少兩種：高降壓模式、3級降壓模式、兩相交錯降壓模式、單相3級降壓模式和單相交錯降壓模式。通過模式選擇邏輯來選擇效率最高的操作模式。例如，模式選擇邏輯包括具有預定電壓閾值和電流閾值的查閱資料表。轉換器裝置是升壓轉換器裝置或降壓轉換器裝置中的至少一種。
在轉換器裝置作為降壓轉換器裝置操作的情況下，適用於轉換比M=Vout/Vin：1/24M1，較佳1/48M1，較佳1/80M1。
此外，在轉換器裝置作為升壓轉換器裝置操作的情況下，適用於轉換比M：1M24，較佳1M48，較佳1M80。
轉換器裝置以開關頻率fS操作。例如，適用於開關頻率：200kHzfS 1600kHz，較佳400kHzfS 1400kHz，較佳600kHzfS 1200kHz。
此外，例如適用於負載電流Iload：0.1AIload 10A，較佳0.5AIload 8A，較佳1AIload 6A。
轉換器裝置的功率處理效率被定義為輸出功率與輸入功率的比率。功率處理效率取決於轉換比M、開關頻率fS及/或負載電流Iload。對於整個操作條件範圍，功率處理效率為至少75%，較佳為至少80%，較佳為至少85%，以及較佳為至少90%。轉換器裝置在整個操作條件範圍內保持高的且幾乎平坦的效率曲線。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。七個開關的布置使本發明的兩相DC-DC轉換器執行各種不同的操作模式。此外，轉換器裝置在降壓轉換器裝置的情況下能夠將電抗元件兩端的電壓應力降低到輸入電壓的一半，或者在升壓轉換器裝置的情況下能夠將電抗元件兩端的電壓應力降低到輸出電壓的一半。具體地，第二輸入電壓端子和第二輸出電壓端子連接到參考節點。具體地， 參考節點連接到地。
由於開關損耗和電壓應力的降低，根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高的功率處理效率。對於特定的操作模式，飛跨電容器兩端的電壓在降壓轉換器裝置的情況下等於輸入電壓的一半，或者在升壓轉換器裝置的情況下等於輸出電壓的一半。這能夠降低開關和電抗元件的電壓應力，並且能夠減小電抗元件的體積。此外，降低了開關的開關損耗。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。兩個電感器可以並聯操作。這使得負載電流在兩個電感器之間分流，從而減小電感器的體積要求和損耗。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。在降壓轉換器裝置的情況下，輸出電容器能夠使輸出電壓紋波和輸出電壓的偏差適應於期望的值。具體地，電容器連接到參考節點。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。開關操作裝置提供開關訊號以根據選中的操作模式(即由模式選擇邏輯的模式訊號提供的操作模式)來操作開關。具體地，開關操作裝置包括數位脈寬調製器。
根據本發明實施例的轉換器裝置能夠提供調節後的輸出電壓。電壓控制器提供具有占空比的開關操作裝置，以根據所述占空比來操作開關。輸出電壓由電壓感測器測量，並且較佳地通過相應的類比-數位轉換器而被轉換成數位域。將誤差訊號提供給數位電壓補償器，該誤差訊號是期 望的數位輸出電壓與測量到的數位輸出電壓之差。數位電壓補償器的輸出訊號是占空比D。占空比D是脈衝持續時間T與開關週期TS的比率。適用於占空比：0D1，特別是0<D<1。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性和高的功率處理效率。基於訊號，較佳輸入電壓、輸出電壓和輸出電流的數位訊號，模式選擇邏輯確定合適的操作模式。例如，模式選擇邏輯使用查閱資料表來將表徵合適的操作模式的模式訊號提供至開關操作裝置。此外，電壓補償器可以根據操作模式用不同的參數來設計，以針對每種操作模式實現優化的動態性能。
在中等負載條件和重負載條件下，針對高降壓比，根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高的功率處理效率。此操作模式被稱為高降壓(HSD)模式。該模式為高降壓情況提供了最高的效率。在穩態下，飛跨電容器兩端的電壓等於轉換器的輸入電壓的一半。這意味著所有開關都可以被額定為整個輸入電壓的一半。為每個開關額定較低的電壓的益處是減小了體積並降低了開關損耗。
針對需要高降壓轉換的情況，在輕負載條件下，根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高的功率處理效率。該模式被稱為3級降壓(3LB)模式。該模式用兩個並聯的電感器、通過在整個開關循環內保持第五開關和第七開關導通來操作。這使得負載電流在兩個電感器之間分流，從而減小電感器的體積要求和損耗。所有開關都在輸入電壓的一 半處開關，從而減少開關損耗。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。該操作模式可以用於接近和大於0.5的轉換比。該模式被稱為第一兩相交錯降壓(IB1)模式。該模式可以用於占空比D0.5。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。該操作模式可以用於接近和大於0.5的轉換比。該模式被稱為第二兩相交錯降壓(IB2)模式。該模式可以用於占空比D0.5。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。該操作模式能夠執行切相(phase shedding)以進一步提高低電流下的功率處理效率。該操作模式被稱為單相3級降壓(SP3LB)模式。
根據本發明實施例的轉換器裝置確保了高度的靈活性。該操作模式能夠執行切相來進一步提高低電流下的功率處理效率。該操作模式被稱為單相交錯降壓(SPIB)模式。
此外，本發明的目的是提供一種高度靈活的操作轉換器裝置的方法，該轉換器裝置能夠提供大範圍的電壓、轉換比和功率位準，且其功率處理效率高、體積小和動態性能好。
該目的通過一種根據本發明實施例的操作轉換器裝置的方法來實現。本發明的方法的優點對應於本發明的轉換器裝置的已經描述的優點。
1‧‧‧轉換器裝置
2‧‧‧轉換器
3‧‧‧控制器/數位控制器
4‧‧‧第一電壓感測器
5‧‧‧模數轉換器
6‧‧‧第二電壓感測器
7‧‧‧模數轉換器
8‧‧‧模式選擇邏輯
9‧‧‧開關操作裝置
10‧‧‧數位電壓控制器
11‧‧‧電壓補償器
從以下參考圖式的實施例的描述中，本發明的其他特徵、優點和細節將變得明顯。
圖1示出具有轉換器和數位控制器的轉換器裝置的示意圖。
圖2示出高降壓模式(high step-down mode)中的轉換器的第一狀態。
圖3示出高降壓模式中的轉換器的第二狀態和第四狀態。
圖4示出高降壓模式中的轉換器的第三狀態。
圖5示出高降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖6示出3級降壓模式(3-level buck mode)中的轉換器的第一狀態。
圖7示出3級降壓模式中的轉換器的第二狀態和第四狀態。
圖8示出3級降壓模式中的轉換器的第三狀態。
圖9示出3級降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖10示出第一兩相交錯降壓模式(first two-phase interleaved buck mode)中的轉換器的第一狀態和第三狀態。
圖11示出第一兩相交錯降壓模式中的轉換器的第二狀態。
圖12示出第一兩相交錯降壓模式中的轉換器的第四 狀態。
圖13示出第一兩相交錯降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖14示出第二兩相交錯降壓模式中的轉換器的第一狀態。
圖15示出第二兩相交錯降壓模式中的轉換器的第二狀態和第四狀態。
圖16示出第二兩相交錯降壓模式中的轉換器的第三狀態。
圖17示出第二兩相交錯降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖18示出單相3級降壓模式(single-phase 3-level buck mode)中的轉換器的第一狀態。
圖19示出單相3級降壓模式中的轉換器的第二狀態和第四狀態。
圖20示出單相3級降壓模式中的轉換器的第三狀態。
圖21示出單相3級降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖22示出單相交錯降壓模式(single-phase interleaved buck mode)中的轉換器的第一狀態。
圖23示出單相交錯降壓模式中的轉換器的第二狀態。
圖24示出單相交錯降壓模式中的轉換器的電壓和電流的時序圖。
圖25示出針對第一操作點的傳統兩相交錯降壓轉換器和本發明轉換器的效率曲線。
圖26示出針對第二操作點的傳統兩相交錯降壓轉換器和本發明轉換器的效率曲線。
圖27示出針對第三操作點的傳統兩相交錯降壓轉換器和本發明轉換器的效率曲線。
圖1示出用於將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout的轉換器裝置1。轉換器裝置1包括轉換器2和用來操作轉換器2的數位控制器3。例如，轉換器裝置1用於將DC-DC輸入電壓Vin轉換為更小的DC-DC輸出電壓Vout。降壓比或轉換比M被定義如下：M=Vout/vin。
轉換器2包括第一輸入電壓端子in1和第二輸入電壓端子in2以施加輸入電壓Vin。此外，轉換器2包括第一輸出電壓端子out1和第二輸出電壓端子out2以向負載R提供輸出電壓Vout和輸出電流或負載電流Iload。轉換器2還包括電抗組件，即飛跨電容器Cfly、電容器C、第一電感器L1和第二電感器L2。
在轉換器2作為降壓轉換器2操作的情況下，第一輸入電壓端子in1經由第一開關SW1連接至第一節點N1。第一節點N1經由飛跨電容器Cfly連接至第二節點N2。第二節點N2經由第二開關SW2連接至參考節點N0。第二節點N2還經由第三開關SW3連接至第三節點N3。第二節點N3還經由電感器L1與第一輸出電壓端子out1連接。第一節點 N1還經由第四開關SW4連接至第四節點N4。此外，第四節點N4經由第五開關SW5連接至第五節點N5。第五節點N5還經由第二電感L2連接至第一輸出端子out1。第五節點N5經由第六開關SW6連接至參考節點N0。第三節點N3還經由第七開關SW7連接至第四節點N4。輸出電容器C與第一輸出電壓端子out1和第二輸出電壓端子out2並聯布置。這意味著第一輸出電壓端子out1經由輸出電容器C與第二輸出電壓端子out2連接。參考節點N0、第二輸入電壓端子in2和第二輸出電壓端子out2連接至地。
在轉換器2作為升壓轉換器2操作的情況下，將輸入電壓端子in1、in2與輸出電壓端子out1、out2交換。在這種情況下，電容器C被稱為輸入電容器C。
輸入電壓Vin由第一電壓感測器4來測量並被提供給模數轉換器5。模數轉換器5將輸入電壓Vin轉換成數位域並將數位輸入電壓訊號V'in提供給數位控制器3。相應地，輸出電壓Vout由第二電壓感測器6來測量並被提供給另一模數轉換器7。模數轉換器7將輸出電壓Vout轉換成數位域並將數位輸出電壓訊號V'out提供給數位控制器3。
數位控制器3包括模式選擇邏輯8、開關操作裝置9和數位電壓控制器10。模式選擇邏輯具有三個訊號輸入端以接收輸入電壓V'in、所需的輸出電壓Vref和所需的輸出電流Iref。根據輸入電壓V'in、所需的輸出電壓Vref和/或所需的輸出電流Iref，模式選擇邏輯8產生模式訊號S以從一組不同的操作模式中選擇合適的操作模式。例如，模式選 擇邏輯8包括查閱資料表，所述查閱資料表根據期望的轉換比M和以所需的輸出電流Iref為特徵的負載條件來產生模式訊號S。開關操作裝置9與模式選擇邏輯8連接以接收模式訊號S，並根據選中的操作模式來操作開關SW1至SW7。
數位電壓控制器10包括電壓補償器11，其接收輸出電壓誤差訊號e=Vref-V'out。電壓補償器11計算占空比D。開關操作裝置9連接到數位電壓控制器10以接收占空比D，並根據占空比D來操作開關SW1至SW7。占空比D為期望的脈衝持續時間與開關週期TS之間的比率。
開關操作裝置9連接到開關SW1至SW7，並且為每個開關SW1至SW7產生相應的開關訊號G1至G7。開關SW1至SW7根據相應的開關訊號G1至G7的訊號位準而導通或關斷。例如，開關SW1至SW7是MOSFET。
開關操作裝置9包括用於執行第一操作模式的第一開關序列。該操作模式被稱為高降壓模式或HSD模式。HSD模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1至ST4表示開關循環的四種狀態。此外，0表示關斷(OFF)，而1表示導通(ON)。
圖2到圖4示出處於開關循環的狀態1(ST1)至4(ST4)的轉換器2。此外，圖5示出電感器L1和L2兩端的電壓VL1和VL2以及通過電感器L1和L2的電流iL1和iL2的時序圖。t表示時間，TS表示開關循環的開關週期。狀態1至4的持續時間取決於占空比D。
在中等負載條件和重負載條件下，HSD模式針對高降壓比M具有高的功率處理效率。在穩態下，飛跨電容器Cfly兩端的電壓VCfly等於輸入電壓Vin的一半。開關序列包括四個狀態ST1至ST4，其中在狀態1中，飛跨電容器Cfly和電感器L1用能量來充電。狀態2是同步整流狀態。在該狀態2中，電感器電流iL1和iL2被劃分。由於這種電流分配，功率損耗降低。在狀態3期間，飛跨電容器Cfly被放電且電感器L2被充電。狀態4是狀態2的重複。
飛跨電容器電壓VCfly通過兩個電感器L1和L2而維持在Vin/2，且轉換比為M(D)=Vout/Vin=D/2。在HSD模式中，與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，開關節點電壓VL1和VL2的變化減小一半，從而允許電感器L1和L2的電感值顯著降低。由於針對相同量的儲存能量，電容器Cfly和C具有比電感器L1和L2小多達三個數量級的體積，所以與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，轉換器2的電抗組件的總體積減小。在HSD模式下，所有開關SW1至SW7只阻斷輸入 電壓Vin的一半。這意味著，如果在兩個實施方式中使用相同的矽面積，則這種拓撲的半導體元件的開關損耗和傳導損耗比傳統兩相交錯降壓轉換器的開關損耗和傳導損耗小。
開關操作裝置9還包括用於執行第二操作模式的第二開關序列。第二種操作模式被稱為3級降壓模式或3LB模式。3LB模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1至ST4表示開關循環的四個狀態。此外，0表示關斷，而1表示導通。
圖6至圖8表示3LB模式中的轉換器2的狀態1(ST1)至4(ST4)。此外，圖9示出電感器L1和L2兩端的電壓VL1和VL2以及通過電感器L1和L2的電流iL1和iL2的時序圖。
在狀態1中，飛跨電容器Cfly通過電感器L1和L2充電。狀態2是同步整流狀態。在狀態2中，電感器電流iL1和iL2被劃分。在狀態3中，飛跨電容器Cfly被放電以大致維持VCfly為恒定的Vin/2電壓位準。狀態4是狀態2的 重複。
對於需要高降壓轉換比M(例如M<0.5)的情況，可以在輕負載條件下使用3LB模式。在3LB模式中，開關SW5和SW7始終導通，且電感器L1和L2並聯。這允許輸出電流Iload在兩個電感器L1和L2之間分流，減小了電感器L1和L2的體積要求和損耗。3LB模式以0<D<0.5範圍的占空比D和M(D)=D的轉換比來操作。開關SW1至SW7在輸入電壓Vin的一半處開關，從而降低開關損耗。
開關操作裝置9還包括用於執行第三操作模式的第三開關序列。該操作模式被稱為第一兩相交錯降壓模式或IB1模式。IB1模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1至ST4表示開關循環的四個狀態。此外，0表示關斷，而1表示導通。IB1模式主要可以用於接近或大於0.5的轉換比M。IB1模式的轉換比M為M(D)=D，其中針對占空比D，適用：D>0.5。
圖10到圖12示出IB1模式中的轉換器2的狀態1(ST1) 到狀態4(ST4)。此外，圖13示出電感器L1和L2兩端的電壓VL1和VL2以及通過電感器L1和L2的電流iL1和iL2的時序圖。
在狀態1中，在節點N3和N5處，兩個電感器L1和L2都用輸入電壓Vin來充電。在狀態2中，電感器L1持續充電，而電感器L2處於同步整流。狀態3是狀態1的重複。在狀態4中，電感器L2持續充電，而電感器L1處於同步整流。為了使所有的開關額定值保持在Vin’max/2，該操作模式用於Vin<Vin’max/2，其中Vin’max是轉換器2的最高允許輸入電壓。由於開關SW1、SW2和SW4在狀態1至狀態4中保持接通，因此電容器電壓VCfly保持在輸入電壓Vin。
開關操作裝置9還包括用於執行第四操作模式的第四開關序列。此操作模式被稱為第二兩相交錯降壓模式或IB2模式。IB2模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1至ST4表示開關循環的四個狀態。此外，0表示關斷，而1表示導 通。通常，IB2模式對應於IB1模式，而對於占空比D，適用：D<0.5。
圖14到圖16示出IB2模式中的轉換器2的狀態1(ST1)到狀態4(ST4)。此外，圖17示出電感器L1和L2兩端的電壓VL1和VL2以及通過電感器L1和L2的電流iL1和iL2。在狀態2和狀態4中，兩個電感器L1和L2都被放電。進一步細節，參閱IB1模式的描述。
開關操作裝置9還包括用於執行第五操作模式的第五開關序列。此操作模式被稱為單相3級降壓模式或SP3LB模式。SP3LB模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1至ST4表示開關循環的四個狀態。此外，0表示關斷，而1表示導通。
圖18到圖20示出SP3LB模式中的轉換器2的狀態1(ST1)到狀態4(ST4)。此外，圖21示出電感器L1兩端的電壓VL1和通過電感器L1的電流iL1。通常，SP3LB模式對應於3LB模式，然而，SP3LB模式使用切相來進一步提高 低電流下的功率處理效率。進一步細節，參閱3LB模式的描述。
開關操作裝置9還包括用於執行第六操作模式的第六開關序列。此操作模式被稱為單相交錯降壓模式或SPIB模式。SPIB模式的開關序列如下：
其中，SW1至SW7表示所述七個開關，ST1和ST2表示開關循環的兩個狀態。此外，0表示關斷，而1表示導通。
圖22和圖23示出SPIB模式中的轉換器2的狀態1(ST1)和狀態2(ST2)。此外，圖24示出電感器L1兩端的電壓VL1和通過電感器L1的電流iL1。通常，SPIB模式對應於IB1模式的狀態1和狀態4，然而，SPIB模式使用切相來進一步提高低電流下的功率處理效率。進一步細節，參閱IB1模式的描述。
模式選擇邏輯8根據輸入電壓V'in、所需的輸出電壓Vref和所需的輸出電流Iref來確定合適的操作模式。從之前提及的操作模式中選擇該合適的操作模式。例如，模式選 擇邏輯8使用具有預定電壓閾值和當前閾值的查閱資料表來確定合適的操作模式，使得查閱資料表儲存哪些模式對於特定操作條件具有最高效率。模式選擇邏輯8將相應的模式訊號S發送給開關操作裝置9，所述開關操作裝置9包含針對每種操作模式的所提及的開關序列。使用來自電壓補償器11的占空比D和來自模式選擇邏輯8的模式訊號S，開關操作裝置9相應地操作開關SW1至SW7。此外，電壓補償器11可以根據操作模式而用不同的參數來設計，以針對每種模式實現優化的動態性能。
將轉換器裝置1與從US 2008/0019158 A1已知的傳統兩相交錯降壓轉換器進行比較。用於比較的開關頻率為800kHz。
為了將轉換器2的電抗元件的體積與傳統兩相交錯降壓轉換器進行比較，比較能量儲存要求。為了在電感器中實現相同的電流紋波(current ripple)，轉換器2的電感可以減小約33%，導致較小的電感器L1和L2。此外，為了實現回應於負載暫態的期望的輸出電壓偏差，轉換器2的所需輸出電容器C可以比傳統兩相交錯降壓轉換器小約33%，以實現相同的暫態性能。
為了示出轉換器裝置1相對於傳統兩相交錯降壓轉換器的效率改進，在所述兩個轉換器之間比較以下三個操作點：操作點1：Vin=12V且Vout=1V，操作點2：Vin=12V且Vout=5V， 操作點3：Vin=36V且Vout=12V。
圖25示出針對操作點1的傳統兩相交錯降壓轉換器(左側)和以HSD模式操作的轉換器2(右側)的效率曲線。HSD模式的目的是針對高降壓比實現最高效率。在操作點1處，針對負載電流Iload的整個範圍，HSD模式提高了傳統兩相交錯降壓轉換器的效率。HSD模式使開關損耗的損耗降低，從而提高效率。
圖26示出針對操作點2的傳統兩相交錯降壓轉換器(左側)和轉換器2(右側)的3LB模式和IB1模式的效率曲線。對於操作點2，轉換器2的最高效率模式取決於負載電流Iload。在負載電流的低端，與傳統兩相交錯降壓轉換器和IB1模式相比，3LB模式具有明顯更高的效率。隨著負載電流增大，IB1模式成為最高效率模式。對於這一區段的負載電流，與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，轉換器2實現了幾乎相等的效率。與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，IB1模式的更高的傳導損耗導致效率稍微降低。
圖27示出針對操作點3的傳統兩相交錯降壓轉換器和轉換器2的3LB模式的效率曲線。轉換器2的3LB模式針對高輸入電壓在輕負載和中等負載處具有提高的效率。這是由開關阻斷電壓和電壓擺幅的減小引起的。
通過適當地選擇轉換器2的操作模式，可以在整個操作範圍內實現效率的提高。
轉換器裝置1為寬範圍的負載點應用提供了高功率密度、寬輸入DC-DC、高度靈活的轉換器拓撲。轉換器2被 稱為7-開關飛跨電容器轉換器或7SFC轉換器。與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，轉換器2需要小得多的電感器L1和L2，並且同時，提高了功率處理效率。這些優點通過針對若干操作模式，將電感器L1和L2兩端的電壓擺幅以及所有開關SW1至SW7的電壓應力降低到整個輸入電壓的一半來實現。總之，轉換器裝置1具有以下優點。
-多模式開關操作，特別是由數位控制器3輔助的多模式開關操作。
-基於操作點的效率優化。
-通過顯著降低開關損耗而導致的相對於傳統兩相交錯降壓轉換器顯著提高的高降壓比效率。
-降低了電感器體積要求。
-降低了輸出電容器要求。
-與傳統兩相交錯降壓轉換器相比，開關SW1至SW7的矽面積減小。
1‧‧‧轉換器裝置
2‧‧‧轉換器
3‧‧‧控制器/數位控制器
4‧‧‧第一電壓感測器
5‧‧‧模數轉換器
6‧‧‧第二電壓感測器
7‧‧‧模數轉換器
8‧‧‧模式選擇邏輯
9‧‧‧開關操作裝置
10‧‧‧數位電壓控制器
11‧‧‧電壓補償器

Claims (15)

  1. 一種用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，包括：-轉換器(2)，包括：--第一輸入電壓端子(in1)和第二輸入電壓端子(in2)，用來施加輸入電壓(Vin)；--第一輸出電壓端子(out1)和第二輸出電壓端子(out2)，用來將輸出電壓(Vout)提供給負載(R)；--電抗組件(Cfly、C、L1、L2)；-控制器(3)，用來操作前述轉換器(2)；其特徵在於：前述轉換器(2)包括七個開關(SW1至SW7)，用來執行至少兩種不同的操作模式；前述電抗組件(Cfly、C、L1、L2)包括飛跨電容器(Cfly)；以及前述控制器(3)包括模式選擇邏輯(8)，用來根據期望的操作條件來選擇前述操作模式中的一種。
  2. 如請求項1所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，-第一開關(SW1)布置在第一電壓端子(in1)的一個與第一節點(N1)之間；-第二開關(SW2)布置在第二節點(N2)與參考節點(N0)之間；-第三開關(SW3)布置在第二節點(N2)與第三節點 (N3)之間；-第四開關(SW4)布置在第一節點(N1)與第四節點(N4)之間；-第五開關(SW5)布置在第四節點(N4)與第五節點(N5)之間；-第六開關(SW6)布置在第五節點(N5)與參考節點(N0)之間；以及-第七開關(SW7)布置在第三節點(N3)與第四節點(N4)之間。
  3. 如請求項1或2所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述飛跨電容器(Cfly)布置在第一節點(N1)與第二節點(N2)之間。
  4. 如請求項1或2所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述電抗組件(Cfly、C、L1、L2)包括：第一電感器(L1)，布置在第三節點(N3)與第一電壓端子(out1)的一個之間；以及第二電感器(L2)，布置在第五節點(N5)與第一電壓端子(out1)的一個之間。
  5. 如請求項1或2所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述電抗組件(Cfly、C、L1、L2)包括電容器(C)，前述電容器(C)與第一電壓端子(out1)中的一個和相關的第二電壓端子(out2)並聯布置。
  6. 如請求項1或2所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出 電壓的轉換器裝置，其中，前述控制器(3)包括開關操作裝置(9)，前述開關操作裝置(9)與前述模式選擇邏輯(8)連接以接收模式訊號(S)以及根據選中的操作模式來操作開關(SW1至SW7)。
  7. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述控制器(3)包括電壓控制器(10)，前述電壓控制器(10)連接到開關操作裝置(9)以提供占空比(D)以及根據占空比(D)來操作開關(SW1至SW7)。
  8. 如請求項1或2所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述模式選擇邏輯(8)包括至少三個訊號輸入端以接收輸入電壓(V'in)、輸出電壓(Vref)和輸出電流(Iref)。
  9. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第一操作模式HSD的以下第一開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST4表示開關循環的四個狀態； 0表示關斷，而1表示導通。
  10. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第二操作模式3LB的以下第二開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST4表示開關循環的四個狀態；0表示關斷，而1表示導通。
  11. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第三操作模式IB1的以下第三開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST4表示開關循環的四個狀態； 0表示關斷，而1表示導通。
  12. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第四操作模式IB2的以下第四開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST4表示開關循環的四個狀態；0表示關斷，而1表示導通。
  13. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第五操作模式SP3LB的以下第五開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST4表示開關循環的四個狀態； 0表示關斷，而1表示導通。
  14. 如請求項6所記載之用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器裝置，其中，前述開關操作裝置(9)包括用來執行第六操作模式SPIB的以下第六開關序列： 其中，SW1至SW7表示七個開關；ST1至ST2表示開關循環的兩個狀態；0表示關斷，而1表示導通。
  15. 一種操作轉換器裝置的方法，包括以下步驟：-提供如請求項1至14中至少一項所記載之轉換器裝置(1)；-根據期望的操作條件、利用模式選擇邏輯(8)來選擇至少兩種操作模式中的一種；以及-操作轉換器(2)的開關(SW1至SW7)以執行選中的操作模式。
TW106108940A 2016-03-18 2017-03-17 轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法 TWI636649B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
??EP16161038 2016-03-18
EP16161038.1A EP3220525B1 (en) 2016-03-18 2016-03-18 Converter device and method to operate said converter device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201735515A true TW201735515A (zh) 2017-10-01
TWI636649B TWI636649B (zh) 2018-09-21

Family

ID=55586201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106108940A TWI636649B (zh) 2016-03-18 2017-03-17 轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法

Country Status (10)

Country Link
US (1) US10720836B2 (zh)
EP (1) EP3220525B1 (zh)
JP (1) JP6694956B2 (zh)
KR (1) KR102159570B1 (zh)
CN (1) CN108781038B (zh)
CA (1) CA3018104C (zh)
HK (1) HK1257439A1 (zh)
RU (1) RU2704247C9 (zh)
TW (1) TWI636649B (zh)
WO (1) WO2017158022A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111509980B (zh) * 2019-01-31 2021-04-13 台达电子工业股份有限公司 电源转换器
CN111245236B (zh) * 2020-03-16 2020-12-22 深圳市诚芯微科技有限公司 一种降压式直流-直流转换器拓扑结构

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7449867B2 (en) 2005-07-26 2008-11-11 International Rectifier Corporation Multi-phase buck converter with a plurality of coupled inductors
GB2444988B (en) * 2006-12-22 2011-07-20 Wolfson Microelectronics Plc Audio amplifier circuit and electronic apparatus including the same
US8274264B2 (en) * 2010-02-19 2012-09-25 Exar Corporation Digital control method for improving heavy-to-light (step down) load transient response of switch mode power supplies
RU2462807C1 (ru) 2011-07-07 2012-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) Преобразователь постоянного напряжения
TWI497254B (zh) 2012-07-19 2015-08-21 Alpha Imaging Technology Corp 開關電路及應用其之充電幫浦
GB2510395A (en) 2013-02-01 2014-08-06 Nujira Ltd Voltage supply stage for an envelope tracking modulated power supply
US10615692B2 (en) * 2014-04-25 2020-04-07 Texas Instruments Incorporated Series capacitor buck converter having circuitry for precharging the series capacitor
WO2016011380A1 (en) * 2014-07-17 2016-01-21 The Trustees Of Dartmouth College System and method for two-phase interleaved dc-dc converters

Also Published As

Publication number Publication date
RU2704247C9 (ru) 2020-02-11
WO2017158022A1 (en) 2017-09-21
CA3018104C (en) 2022-10-04
CA3018104A1 (en) 2017-09-21
KR102159570B1 (ko) 2020-09-24
EP3220525A1 (en) 2017-09-20
US20190097536A1 (en) 2019-03-28
CN108781038B (zh) 2021-02-05
JP6694956B2 (ja) 2020-05-20
EP3220525B1 (en) 2018-10-24
HK1257439A1 (zh) 2019-10-18
US10720836B2 (en) 2020-07-21
KR20180124017A (ko) 2018-11-20
RU2704247C1 (ru) 2019-10-25
CN108781038A (zh) 2018-11-09
JP2019508997A (ja) 2019-03-28
TWI636649B (zh) 2018-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6942852B2 (ja) 広出力電圧範囲用の絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ及びその制御方法
TWI551017B (zh) 用於調整具有功率因數校正之整流器的非對稱升壓為基礎之前端階操作的系統與方法、及用於降低在pfc整流器中升壓電感器的體積與損失之系統與方法
EP3847741A1 (en) High power density power converter and uninterruptible power supply circuit and methods
JP7446260B2 (ja) 電力コンバータ
CN213661257U (zh) 充电装置和车辆
KR20170064100A (ko) 고역률 고효율 인터리브드 듀얼-벅 컨버터 및 제어방법
KR20190115364A (ko) 단상 및 3상 겸용 충전기
TWI636649B (zh) 轉換器裝置及操作該轉換器裝置的方法
Khatua et al. Control of a merged-energy-buffer based two-stage electrolytic-free offline LED driver
US9768702B2 (en) Converter with power factor correction
US9755504B2 (en) Flux converter with power factor correction
Chen et al. Current balance method for the two-phase interleaved LLC-RDCX with parallel PWM output regulation
JP6976145B2 (ja) 電力変換装置
CN111404384B (zh) 一种多级并联dc-dc变换器
KR102665350B1 (ko) Dab 컨버터 및 양극성 직류 배전 장치
JP5222775B2 (ja) Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置
CN112075019B (zh) 具有升压开关的降压矩阵式整流器及其在一相损耗期间的操作
Beyer et al. Design of a universal charger for a light electric vehicle with effect of an RCD snubber on peak current control
Lai et al. FPGA-based digital-controlled power converter with universal input meeting 80 Plus platinum efficiency code and standby power code for sever power applications
Chiaberge et al. An FPGA controlled DC/DC step-up converter for automotive applications
Larico et al. Voltage-fed three-phase push-pull dc-dc converter
Tsang et al. Minimum charge-recovery time control with parallel connected buck converters
CN107925350A (zh) 用于降低额定电容器电压的转换器电路
JP2018133974A (ja) 電源装置