TW202327233A

TW202327233A - 減少n個並聯連接電力轉換器的無主組態中電流失衡及改善單一電力轉換器中負載調節的多斜率輸出阻抗控制器

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Publication number: TW202327233A
Application number: TW111147833A
Authority: TW
Inventors: 馬堤派瑞; 羅伯特Ｊ夏勒
Original assignee: 美商雷神公司
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-07-01
Also published as: WO2023114303A1

Abstract

一多斜率輸出阻抗控制器被組配用以改變一電力轉換器之有效阻抗Zeff_n，用以減少N個並聯連接電力供應器之一無主組態中之電力供應器之間的一電流失衡，同時在起動及穩態操作期間維持負載調節。一般而言，控制器在Iout_n處於低位準時命令Zeff_n之一高值以促進電流分擔並減少電力供應器之間的電流失衡Ib，而在Iout_n處於高位準時命令Zeff_n之一低值以改善負載調節。

Description

減少N個並聯連接電力轉換器的無主組態中電流失衡及改善單一電力轉換器中負載調節的多斜率輸出阻抗控制器

本發明係有關於能夠向負載供應一定範圍負載電流之調節式電力供應器，並且更特別的是，係有關於N個並聯連接電力供應器之無主組態，各電力供應器包括連接在負回授迴路中之被動或同步整流電力轉換器，用以促進負載電流之分擔並維持輸出電壓之調節。

一電力供應器可包括將一未調節直流輸入電壓Vin轉換成一經調節直流輸出電壓Vout之一電力轉換器，通常處於一不同位準，用於向一負載供應一定範圍之負載電流IL。多年來，已經推出種類繁多之電力轉換器拓撲結構。再者，對於小尺寸及高效率之需求對可用之拓撲結構造成了附加限制。小尺寸等於高功率密度，並且功率密度係輸出功率能力與轉換器體積之比。

一切換式電力轉換器(SPC)具有一能量儲存區段、以及諸如一脈寬調變器(PWM)之一切換控制電路、一初級開關、以及一整流器。能量儲存區段回應於直流輸入電壓之選擇性施加以產生一電流及經調節直流輸出電壓。切換控制電路、初級開關及整流器對能量儲存區段控制直流輸入電壓之施加，用以設定經調節直流輸出電壓之值。

同步整流已成為電力轉換器中被動整流器之一所欲替代方案，因為功率轉換效率提高，其至少部分源於電力損失降低及密度提高。儘管二極體僅許可電流沿一個方向流動，諸如MOSFET之同步整流器、或其他等效主動開關仍許可電流沿任一方向流動。

基於模組化電力轉換器之電力供應器屬於所欲，因為其跨越多個單元允許電力負載之分擔，並且允許為各種應用靈活縮放電力解決方案。如圖1所示，一電力供應器 100包括N個並聯連接電力轉換器 102，電力轉換器 102從一電壓源Vin汲取能量，且其輸出並聯爲一公用負載 104供電。電力供應器 100跨越負載 104產生一經調節輸出電壓Vout，並且在一指定範圍之電流位準內向負載供應一負載電流Il。各電力轉換器 102被組配用以透過一輸出阻抗Zout_n產生一經調節電壓Vreg_n及一輸出電流Iout_n。理想情況下，各電力轉換器供應1/N之負載電流IL。為了使複雜度降到最低並且增強陣列等級下之可擴縮性，期望在一無主組態中並聯電力轉換器，其中該等轉換器分擔負載電流，而無需將負載電流資訊傳遞至各種模組或具有管理負載分擔之特殊控制模組。

如圖2所示，一電力供應器 200在一無主組態中包括N=2個並聯連接電力轉換器 202，用以調節一輸出電壓Vout並向一負載 204供應負載電流IL。各電力轉換器 202係繪示為一相依源 205，其中一命令電壓Vx_n與一增益相乘以產生一可控制電壓Vc_n，並且係藉由一開迴路輸出阻抗Zout_OL予以特性化。在一相依源中推定能源Vin之存在性。

為了改善調節，帶有負回授之閉迴路控制通常係應用於開迴路電力轉換器。一負回授控制器 206將迫使電力轉換器之輸出電壓Vreg_n等於一設定點電壓V_setpoint_n，其偏離參考電壓Vref_n。一輸出阻抗控制器 208係耦接至Vref_n，並且回應於指出Iout_n之一感測電流Isense_n，用來產生一偏移量以形成V_setpoint_n。負回授之一特徵是用來藉由負回授控制器之迴路增益來降低電力轉換器之開迴路輸出阻抗Zout_OL。如果負回授控制器具有一開迴路增益T，則電力轉換器之閉迴路輸出阻抗將會是：舉例而言，如果T+1 = 60dB，則轉換器之開迴路輸出阻抗將降低1000倍。

一輸出阻抗控制器 208係耦接至Vref_n，並且回應於指出Iout_n之一感測電流Isense_n，用來產生一偏移量以形成V_setpoint_n。控制器 208在負載電流範圍內為電力轉換器維持來自Zout _CL之一恆定有效輸出阻抗Zeff_n。一典型控制器 208包括將Isense_n與一電流參考(例如：負載電流範圍之中點)作比較之一電流放大器、用以放大誤差信號之一固定增益放大器、將輸出阻抗控制迴路之一頻寬固定為比對Vout進行控制之負回授迴路之頻寬更小之一濾波器、以及產生偏移量以產生V_setpoint_n之一放大器。通常，負回授迴路之頻寬隨著負載電流下降而降低。因此，輸出阻抗控制迴路之固定頻寬對於最低支援負載電流必須設定為小於負回授迴路之頻寬，用以避免該等控制迴路之間的互動。

理想情況下，電力轉換器 202全都將具有確切相同之參考電壓、負回授迴路等，並且在整個支援之負載電流範圍內，於起動及穩態期間均衡分擔負載電流。然而，在一無主組態中，各轉換器具備自有Vref，其將在一指定容差、非線性等範圍內變化。這可導致電力轉換器間之一電流失衡Ib，導致供電無效率、對個別轉換器造成應力或電力供應器之一故障及停機。在一被動整流電力轉換器中，於低負載電流IL及低Iout_n下，一個電力轉換器可主宰並且供應100%之負載電流，而其他電力轉換器則關閉。在同步整流電力轉換器中，於低Iout_n下，一環流Ic將在該等電力轉換器之間流動。如果Vc_1由於Vx1與Vx2之差異或α_1與α_2之稍微差異而與Vc_2未確切匹配，則一環流Ic將在這兩個轉換器之間流動：其中這時候，Zout_n = Zeff_n。一旦電力轉換器之輸出電壓經過良好調節，並且其在一空載條件下之輸出電流Iout_n ＞ 2*IC，則負載下之Ic將大約為零。

如圖3所示，強制N個電力轉換器達到均衡之一常見技巧稱為「下垂分擔」，其中電力轉換器全都分擔負載電流IL並且平衡化以進行均等分擔，例如(1/N)*IL。繪製Vout與Iload之對照關係之一輸出負載線 300具有一負斜率，使得各電力轉換器之輸出電壓隨著其輸出電流之增加而降低。負載線之斜率係總輸出阻抗。一個別電力轉換器如果其Vref、從而Vsetpoint及Vreg較高，則易於占主導地位。然而，流經總輸出阻抗之輸出電流Iout由於負回授控制迴路實施之負載線而將傾向於拉低電壓。一旦Iout足夠高，電力轉換器之輸出電壓便將下降至其他電力轉換器將開啟並且開始供應負載電流之一點。無主電力轉換器獨立地作出回應，但一起達到全部分擔並大約均等分擔之一均衡狀態，用以供應負載電流。

如圖2所示，各電力轉換器 202可在控制迴路連接外面包括一附加外部輸出阻抗Zext_n，使得Zout_n = Zeff_n + Zext_n。在這種狀況中，轉換器之所欲輸出阻抗比標準下垂分擔技巧能接納者顯者更加複雜。控制迴路外面之輸出阻抗常見於並聯陣列電力系統及/或使用初級側調節之轉換器中。此阻抗亦可由電力轉換器之輸出及負載端子之間的實體連接提供。所有電力供應器都將呈現某程度之外部輸出阻抗，問題在於其是否顯著到足以影響控制。

在電力轉換器起動期間，各轉換器之輸出電壓係藉由使Vref_n斜變，從例如零伏特之一初始值斜變至最終設定點電壓。「斜變」可以是線性、一階躍系列或一更高階函數。當並聯轉換器在一無主系統中啟動時，轉換器之斜變率之稍微誤差及非線性可產生顯著電流失衡Ib。對於被動整流電力轉換器之一無主組態，結果通常會是一單一電力轉換器將開啟，並且隨著輸出電壓斜升而供應負載電流。只有當負載電流、從而個別輸出電流Iout_n足夠高時，下垂分擔才會有效，用以開啟其他電力轉換器並強制分擔。如圖4所示，對於兩個同步整流電力轉換器之一無主組態，從不相等之啟動時間開始，Vc_1及Vc_2之線性度及斜變率可以產生一差異電壓 400，其可造成顯著環流Ic 402在轉換器之間流動。在兩種狀況中，電力轉換器之輸出阻抗Zout_n 404係一固定值，等於Zeff_n與Zext_n之和。

在穩態期間，電力供應器及個別電力轉換器需用以在一指定範圍內源出不同量之負載電流IL，同時維持輸出電壓Vout之調節。對於被動整流轉換器，如果負載電流IL、從而個別輸出電流Iout_n太小，則下垂分擔可失效，導致一個或少量轉換器供應負載電流。一般而言，Iload必須先超出某一值，然後轉換器全都開啟並且分擔負載電流。如圖5所示，對於同步整流轉換器，如果負載電流IL、從而個別輸出電流Iout_n太小，則一環流Ic 500將在轉換器之間流動。一般而言，穩態期間之Ic將比在起動期間小很多，因為轉換器應該經過良好調節。一般而言，在負載下之Ic將大約為零之前，於空載條件下，Iload ＞ 2*Ic。在兩種狀況中，電力轉換器之輸出阻抗Zout_n 502係一固定值，等於Zeff_n與Zext_n之和。

已知技巧挑選一Zeff固定值，其在起動及穩態期間使競爭性要求達到平衡以促進分擔、限制電流失衡及維持負載調節。一更大之Zeff值改善下垂分擔，以在起動時或針對低位準之負載電流促進分擔，並且減少電流失衡Ib，而一更小之Zeff值則改善負載調節。兩者必須妥協。

以下係本發明之一彙總，以便提供對本發明一些態樣之一基本理解。此彙總用意不在於識別本發明之關鍵或重要元件或描繪本發明之範疇。其唯一目的是用來以一簡化形式介紹本發明之一些概念，作為稍後所介紹更詳細說明及定義申請專利範圍之一序言。

本發明提供一種多斜率輸出阻抗控制器，其能夠改變一電力轉換器之有效阻抗Zeff，用以減少N個並聯連接電力供應器之一無主組態中電力供應器之間的一電流失衡，同時維持負載調節，或設定一負Zeff以針對一單一電力轉換器最佳化負載調節。

在一實施例中，一調節式電力供應器在一無主組態中包括複數N個並聯連接電力供應器，其被組配用以向一負載端子供電。各電力供應器包括在自有參考電壓Vref_n之一負回授迴路中連接之一電力轉換器，用以透過一外部輸出阻抗Zext_n (位在負回授迴路外面)向負載端子供應一輸出電流Iout_n。N個電力供應器獨立作用，在一負載電流範圍內一起分擔負載電流IL，並且在彼範圍內提供一經調節輸出電壓Vout。負回授迴路可組配用以回應於Iout_n而改變電力轉換器之一有效輸出阻抗Zeff_n，用來減少起動及穩態期間電力供應器之間的電流失衡Ib，同時維持負載調節。

在N個並聯連接電力供應器之無主組態之一實施例中，各電力轉換器回應於一命令Vx_n以在Zeff_n兩端產生一可控制電壓Vc_n，用來在透過Zext_n耦接至負載端子之一輸出處供應Iout_n。一負回授控制器被組配用以提供負回授迴路，其中位處該輸出處之一經調節電壓Vreg_n係與一設定點電壓Vsetpoint_n作比較(偏離Vref_n)以控制命令Vx_n，用來維持Vreg_n及位處該負載端子之輸出電壓Vout的調節以供改變負載電流IL。一多斜率輸出阻抗控制器被組配用以感測指出Iout_n之一電流Isense_n以控制Vsetpoint_n，使得Vreg_n隨著Iout_n增加而降低以促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔(公用下垂分擔)，用來在Iout_n小於一指定值時命令Zeff_n之一高值以減少該等電力供應器之間的電流失衡Ib，並且用來在Iout_n大於該指定值時命令Zeff_n之一低值以改善Vout之該調節。控制器可命令Zeff_n之一低值，甚係負值，用來在穩態期間使Zext_n部分偏移以最佳化調節。

在一實施例中，多斜率輸出阻抗控制器包括一係數產生器控制器(CGC)，其回應於Isense_n、切換頻率及電壓參考Vref_n而產生一電流參考、一增益命令、一濾波命令及一設定點命令。一電流誤差放大器將Isense_n與電流參考作比較以產生一誤差信號，一可規劃增益放大器回應於增益命令而命令Zeff_n之高值及低值將誤差信號放大，一濾波器回應於濾波命令對放大之誤差信號進行濾波以將一輸出阻抗控制迴路之一頻寬限制為小於對Vreg進行控制之負回授迴路之一頻寬，以及回應於經濾波放大誤差信號及設定點命令之一放大器產生設定點電壓Vsetpoint_n，使得當Isense_n大於電流參考時，設定點電壓Vsetpoint_n降低。濾波命令之產生方式較佳為使得輸出阻抗控制迴路之頻寬追蹤對Vreg上下進行控制之負回授迴路之頻寬，用以在受支援負載電流範圍內更加使效能最佳化。

可將電力轉換器實施成被動或同步整流電力轉換器。一被動整流電力轉換器係一單象限轉換器，其中二極體可匯集或源出電流，但非既匯集又源出。在Iout_n之低位準下，無論是在起動還是穩態期間，這可在一個電力轉換器中供應100%之負載電流且其他電力轉換器關閉時彰顯出來。在Iout_n之低位準下將Zeff_n切換至一高值將強制所有電力轉換器間分擔負載電流，即使Iout_n及IL處於低位準亦然，較佳為跨越所支援負載電流之整個範圍分擔。當Iout_n足夠大(並且Vreg_n經充分調節)時，將Zeff_n切換至一低位準將改善穩態調節。一同步整流電力轉換器係雙象限轉換器，其中主動開關(同步整流器)可匯集或源出電流。在Iout_n之低位準下，無論是在起動還是穩態期間，這可在電力供應器間流動之一環流Ic中彰顯出來。在Iout_n之低位準下將Zeff_n切換至一高值將使Ic達到最小。當Iout_n足夠大(並且Vreg_n得到充分調節)而使Ic大約為零時(例如，當Iout_n ＞ 2*Ic空載時)，將Zeff_n切換至一低位準將改善穩態調節。以被動整流來說明，電流失衡Ib係各電力供應器提供負載電流多寡之間的差異。以同步整流來說明，電流失衡Ib係環流Ic。

起動時，各控制器回應於一起始同步命令，用來實施一起動程序以產生用以使電壓Vc_n斜變之該命令Vx_n，因此該經調節電壓Vreg_n針對設定點電壓Vsetpoint_n自一初始起始值(例如：0伏特)上升至一初始值，同時命令Zeff_n在一起動週期內從該高值移動至該低值。較佳的是，N個電力轉換器接收一公用起始同步命令以同步Vc_n之斜升。「斜變」可以是線性、一階躍系列或一更高階函數。Zeff_n之轉變可以是一階躍、階躍序列、分段線性或一線性或更高階函數。因為起動受控制，轉變可與起動週期內之時間繫結，作為Iout_n值之代理。替代地，控制器可隨著指出Iout_n以Isense_n為函數執行轉變。

在穩態下，產生命令Vx_n對Vc_n進行控制以控制Vout之調節，同時回應於Isense而命令Zeff_n以隨著Isense變化在高值與低值之間移動，使得Zeff_n隨著Iout_n增加而減少，用以強制分擔並在低負載電流位準下減少電流失衡，以及在更高負載電流位準下改善調節。Zeff_n之轉變可以是一階躍、階躍序列、分段線性或一線性或更高階函數。

在一實施例中，多斜率輸出阻抗控制器被組配用以實施起動及穩態程序兩者，以減少電流失衡並維持負載調節。

在一實施例中，多斜率輸出阻抗控制器可經由一模式輸入進行組配，用來針對N個並聯連接電力轉換器之一無主組態實施控制以減少起動及穩態期間之電流失衡，或者針對一單一電力轉換器進行控制以在受支援負載電流範圍內最佳化負載調節。

連同附圖，從以下對較佳實施例之詳細說明，本發明之這些及其他特徵及優點對所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見，其中：

本發明提供一種多斜率輸出阻抗控制器，其能夠改變一電力轉換器之有效阻抗Zeff，用以減少N個並聯連接電力供應器之一無主組態中之電力供應器之間的一電流失衡，同時在起動及穩態操作期間維持負載調節。一般而言，控制器在Iout_n處於低位準時命令Zeff_n之一高值以促進電流分擔並減少電流失衡Ib，而在Iout_n處於高位準時命令Zeff_n之一低值以改善負載調節。

現請參照圖6，調節式電力供應器 600之一實施例被組配用以向在一負載端子 604處連接之一公用負載 602供電(例如，位處一經調節輸出電壓Vout之一負載電流IL)。電力供應器 600在被組配用以向負載端子 604並聯供電之一無主組態中包括複數N個並聯連接電力供應器 606。各電力供應器包括一電力轉換器 608、用以維持轉換器輸出電壓之調節的一負回授控制器 610、以及用以實施下垂分擔之一多斜率輸出阻抗控制器 612，該下垂分擔在N個電力轉換器間促進電流分擔，並且改變有效輸出阻抗Zeff_n以減少一失衡電流並改善負載調節。

各電力轉換器 608係繪示為一相依源 614，其中一命令電壓Vx_n與一增益相乘以產生一可控制電壓Vc_n，並且係藉由一開迴路輸出阻抗Z_OL予以特性化。能源Vin之存在性係予以在一相依源中推定。在一有效輸出阻抗Zeff_n兩端施加電壓Vc_n，以在透過一外部輸出阻抗Z_ext_n耦接至負載端子 604之一輸出處供應一輸出電流Iout_n。總輸出阻抗Zout_n = Zeff_n + Zext_n

負回授控制器 610被組配用以提供一負回授迴路，其中位處該輸出處之一經調節電壓Vreg_n係與一設定點電壓Vsetpoint_n作比較以控制命令Vx_n，用來維持Vreg_n及位處該負載端子之一輸出電壓Vout的調節以供改變負載電流IL。對輸出電壓Vreg_n進行控制之負回授迴路之一頻寬可隨負載電流、Vin、Vout及切換頻率而變化，可對其進行建模或測量。一般而言，頻寬可隨著負載電流下降而降低。

多斜率輸出阻抗控制器 612被組配用以感測指出Iout_n之一電流Isense_n以控制Vsetpoint_n，使得Vreg_n隨著Iout_n增加而降低以促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔(例如：公用下垂分擔)，用來在Iout_n小於一指定值時命令Z_eff_n之一高值以減少該等電力供應器之間的電流失衡Ib，並且用來在Iout_n大於該指定值時命令Z_eff_n之一低值以改善輸出電壓Vout之該調節。「指定值」可以是Iout_n之一實際閾值，或可以是一代理，諸如在一受控制起動中指出漸近之一時間。如將在以後論述者，控制器可接收用以針對諸如圖6中所示之一並聯連接組態、或針對一單一裝置組配電力控制器之一模式輸入、用以使N個電力轉換器之起動同步之一start_sync輸入、用以接收一輸入使轉換器輸出電壓在起動時斜升之一soft_start_1輸入、以及對電力轉換器之一切換頻率作出回應之一頻率輸入。

圖7係一電壓/電流(V/I)平面的一作圖，其帶有產生不同電壓調節( 之不同Zeff值(正、較不正及負)，其係所指斜率S1、S2、S3。一般而言，S1具有一更大負斜率(高正Zeff)，若IL及Iout_n小，諸如在供電起動之早期階段或低負載電流期間，對促進下垂分擔並對最小化最電流失衡有用處。S2具有一更小負斜率(更小正Zeff)，對隨著負載調節改善或負載電流增加維持分擔有用處。S3可具有一正斜率(負Zeff)以抵消外部輸出阻抗Zext，使穩態下之負載調節最佳化。

現請參照圖8，一多斜率輸出阻抗控制器 800之一實施例包括一係數產生器控制器 802，其以所感測電流Isense_n、一所感測輸入電壓(可由其計算出Iout_n)、及可由其計算出Iout_n之一切換頻率為函數驅動有效輸出阻抗Zeff_n。控制器以控制器之命令設定點為函數產生不同Zeff_n，其接著養成多個下垂分擔斜率，諸如圖7所示。

控制器 800包括CGC 802，其回應於Isense_n、一輸入電壓感測、一切換頻率、及一電壓參考Vref_n而產生一電流參考、一增益命令、一濾波命令及一設定點命令。一電流誤差放大器 804將Isense_n與電流參考作比較以產生一錯誤信號 806。一可規劃增益放大器 808回應於增益命令以控制Zeff_n之高值及低值，並且放大誤差信號。一般而言，一更高增益對應於一更大正Zeff。一負增益可用於設定一負Zeff。一濾波器 810回應於該濾波命令以對該經放大誤差信號進行濾波，用來將一輸出阻抗控制迴路之一頻寬限制為小於對Vre進行控制之該負回授迴路之一頻寬，用以實現輸出阻抗控制器之所欲回應及穩定性。在一較佳實施例中，CGC產生濾波命令，使得輸出阻抗控制迴路之頻寬上下追蹤負回授迴路之頻寬，以使得阻抗頻寬盡可能高而不干擾輸出電壓頻寬以使效能最佳化。一放大器 812回應於該經濾波放大誤差信號及該設定點命令而對該設定點電壓Vsetpoint_n產生一偏移量，使得當Isense_n大於該電流參考時，該設定點電壓Vsetpoint_n降低。控制器可實施有類比功能、數位硬體、軟體或以上的組合。

現請參照圖9，各多斜率輸出阻抗控制器回應於如圖6所示之一起始同步命令，用來實施一起動程序以產生用以使電壓Vc_n斜變之該命令Vx_n，因此該經調節電壓Vreg_n針對設定點電壓Vsetpoint_n自一初始起始值上升至一初始值，同時命令Zeff_n在一起動週期內從一高值 900移動至一低值 902。在起動週期內驅動斜變之函數係應用於控制器之Soft_Start_n輸入。此函數可以是一線性、分段線性、一階躍函數或一更高階函數，其始於初始值(例如：0伏特)並在最終設定點電壓結束。如所示，例示性斜坡函數係線性函數。在一較佳實施例中，連至所有控制器之Start_sync輸入係繫結在一起，以使得所有電力轉換器起始輸出電壓之斜升，這將減少電壓Vc_n之間的差異。舉例而言，各電力轉換器將一啟用命令切換為高或低以指出電力轉換器已準備好。當最後一者啟用時，電力轉換器全都起動。

啟始時且直到電力轉換器之所有輸出電壓都得到充裕調節為止，輸出電壓Vc_1及Vc_2之差異 904可以是顯著差異，並且導致一嚴重電流失衡。在一同步整流組態中，這將造成環流Ic 906在電力轉換器之間流動。因此，控制器將可規劃增益調整至一很高位準，用來為Zeff設定高值 900以將Ic 906驅動至接近於零安培。隨著起動進展，Iout_n增加並超出一設定點 908。這可藉由直接監測Isense_n或經由受控制起動程序之設計來確定。知悉斜坡函數後，Iout_n可憑藉起動週期內充分之準確度及可靠度、及起動程序中映射至一漸近或特定時間之Iout_n設定點來計算。較佳的是，設定點在空載條件下對應於Iout_n ＞ 2 * Ic之一值。一旦滿足此條件，Zeff便可切換為低而無引發環流Ic之疑慮。

在這項特定實例中，Zeff_n不直接從其高值切換至低值，而是遵循從高值至低值跨越設定點 908之一轉變 910。Zeff_n之高值與低值之間的轉變可以是一單一階躍、一階躍序列、一線性轉變或一線性或更高階函數，端視特定實作態樣而定。當起動完成時，各電力轉換器將供應一標稱Iout_n值，其舉例而言，足以在其範圍中間處供應負載電流以進入穩態。各該轉換器之輸出電壓經過相當良好之調節，並且電流位準在受支援之範圍內。這時候，控制器將可規劃增益調整至一低位準，且也許是一負值，用來為Zeff設定低值 902以改善或最佳化穩態運作期間之負載調節。一負Zeff_n將部分抵消Zeff_n之正值，產生仍然足以促進負載電流分擔且使負載調節達到最佳之一更小正輸出阻抗Zout_n。

以被動整流電力轉換器來說明，遵循起始初發時將Zeff_n設定至一高值並在起始完成時切換至一低值之相同程序。初發時具有一高Zeff_n值之所欲功效是要在Iout_n之低位準下實施下垂分擔，以使得電力轉換器在起始程序中早非常多地開始分擔負載電流，這會提升電力供應器之總體可靠性及效率。起始完成時之一低Zeff_n值為穩態運作改善負載調節。

現請參照圖10，各多斜率輸出阻抗控制器回應於感測電流Isense_n作為穩態期間Iout_n及負載電流IL之一指示符。繪製跨越負載之一輸出電壓Vout 1000、總輸出阻抗Zout_1 1002及Zout_2 1003、輸出電流Iout_1 1004及Iout_2 1005以及一環流 1006與負載電流IL之一位準的對照關係。對於同步整流，在空載下，當Iout ＜ 2 * IC時，則Vc_1及Vc_2之任何差異都會產生環流 1006。在穩態下，這種差異將比起動期間小得多，因此Ic將小得多，但仍然非所欲。因此，對於Zeff_1及Zeff_2，從而Zout_1及Zout_2，控制器命令一高值 1008，用以為小負載電流使環流Ic達到最小。可犧牲負載調節以消除Ic，但仍在一要求調節範圍內。對於高於一設定點 1010之負載電流，控制器針對Zeff_1及Zeff_2，從而Zout_1及Zout_2，命令一低值 1012，用以改善負載調節。如所示，負載線 1000之斜率在Zout切換為低時變平，指出負載調節得到改善。Zeff_n之高值可為負，用以部分抵消Zext_n之正值以最佳化調節。Zeff_n之高值與低值之間的轉變可以是一單一階躍、一階躍序列、一線性轉變或一線性或更高階函數，端視特定實作態樣而定。如所示，貢獻最大電流Iout_n之電力轉換器，這裡為轉換器2，將首先切換為低。在同步整流器之狀況中，各電力轉換器可將設定點設定為處於Iout = 2*IC空載。低於彼點，Zeff_n應該維持高以使Ic達到最小。高於彼點，Zeff_n可切換為低，因為無論如何Ic都大約為零。Zeff_n之低值必須足以確保分擔在一已知操作點下處於轉換器之Vc_n電壓之已知電位變化範圍內。

多斜率輸出阻抗控制器比單斜率輸出阻抗控制器實現更好之總體效能，單斜率輸出阻抗控制器必須挑選一固定Zeff以支援電力轉換器之起動及穩態運作。多斜率輸出阻抗控制器在Iout之低位準下命令Zeff之一高值，高於先前技術之固定Zeff，這具有使電力供應器之間的電流失衡減少之所欲功效。以被動整流轉換器來說明，這具有強制轉換器在起動及穩態期間以更低位準分擔負載電流之所欲功效。以同步整流轉換器來說明，這具有在起動及穩態期間實質消除環流之所欲功效。在所有狀況中，於穩態下負載電流之正常運作範圍內，控制器命令Zeff之一低值，低於先前技術之固定Zeff，使負載調節改善。控制器甚至可將Zeff驅動為負以最佳化負載調節。

請往回參照圖6，多斜率輸出阻抗控制器包括一模式輸入，該模式輸入接收一命令，例如0/1，告訴控制器是否將其用於N個並聯連接電力轉換器之無主組態中，或配合一單一電力轉換器使用。對於前者，控制器實施起動及穩態程序以設定Zeff_n之高位準及低位準，用來減少電流失衡並改善負載調節，同時促進所有電力轉換器間負載電流之分擔。對於後者，控制器為可規劃增益放大器命令一負增益以將Zeff設定為處於一負值，用來實質抵消Zext之正值以最佳化輸出電壓Vout之調節。如圖11所示，負Zeff抵消正Zest之一負載線 1100近似平坦，指出受支援負載電流範圍內已最佳化之負載調節。相比之下，Zeff係經選擇用以在N個並聯連接電力間強制分擔之一正值的一負載線 1102具有一相異性負斜率，其指出次最佳之負載調節。關鍵在於，多斜率輸出阻抗控制器可用於N個並聯連接電力轉換器、或一單一電力轉換器而不用改變基本控制演算法。控制器可在切換或線性模式下用於任何類型之轉換器拓樸結構。

圖12繪示帶有初級側調節及被動整流之一返馳轉換器 1200之一實施例。在開關控制器 1202命令主動開關S1導通期間，返馳轉換器將能量儲存在變換器T1中。由於S1導通時T1繞組之點極性，跨越負載C1之輸出電壓Vout及感測Vsense繞組整流器(分別為D1及D2)兩者都逆偏且因此不傳導能量。轉換器之Vout等效於相依源模型中之可控制電壓Vc_n。當開關控制器命令S1斷開時，繞組電壓因T1中所儲存之能量而逆轉。在此狀態中，整流器D1及D2導通。電壓Vsense將由於點極性而與Vout成比例。舉例而言，如果T1之匝數比對於Vout及Vsense繞組為一，則Vsense將等於Vout。一負回授控制器 1204感測電壓Vsense，並且調整開關控制器 1202之工作週期以將轉換器調節至所欲設定點。一多斜率輸出阻抗控制器 1206控制設定點電壓Vsetpoint以改變有效輸出阻抗Zeff，如前述。

圖13展示隨同步整流帶有初級側調節之一返馳轉換器 1300。在這種狀況中，基本操作係等同，但被動整流器(D1)係替換為一主動開關(S2)，並且一開關控制器 1302係修改為向S2提供與驅動S1之信號反相之一控制信號。圖13之變換器 1300由於新增主動整流器而既可匯集電流又可源出電流。一負回授控制器 1304及多斜率輸出阻抗控制器 1306如前述作用以控制設定點電壓Vsetpoint，用來改變有效輸出阻抗Zeff，並且將轉換器調節至所欲設定點。

儘管已經展示及說明本發明之數項說明性實施例，所屬技術領域中具有通常知識者仍將想到眾多變例及替代實施例。得以思忖並且施作此類變例及替代實施例而不脫離如隨附申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇。

100,200,600,606:電力供應器 102,202,608:電力轉換器 104,602:公用負載 204:負載 205,614:相依源 206,610,1204,1304:負回授控制器 208:輸出阻抗控制器 300:輸出負載線 400:差異電壓 402,500,906,1006:環流 404,502:電力轉換器之輸出阻抗 604:負載端子 612,800,1206,1306:多斜率輸出阻抗控制器 802:CGC 804:電流誤差放大器 806:誤差信號 808:可規劃增益放大器 810:濾波器 812:放大器 900,1008:高值 902,1012:低值 904:差異 908,1010:設定點 910:轉變 1000,1100,1102:負載線 1002,1003:總輸出阻抗 1004,1005:輸出電流 1200,1300:返馳轉換器 1202,1302:開關控制器

如上述，圖1繪示一調節式電力供應器，其中並聯連接電力供應器之一無主組態向一公用負載供應電流；如上述，圖2繪示一對並聯連接電力供應器，其中各電力供應器包括一電力轉換器、用以維持一固定輸出阻抗以改善調節之一負回授迴路及連接至負載端子之一外部阻抗；如上述，圖3係輸出電壓Vout與負載電流Iload之對照關係的一作圖，其繪示一公用下垂分擔特性，用以在並聯連接電力供應器間促進負載電流之分擔；如上述，圖4係一作圖，其繪示電力轉換器主動切換之起動期間主動切換式電力轉換器之間的一環流Ic；如上述，圖5係一作圖，其繪示穩態期間主動切換式電力轉換器之間的一環流Ic；圖6繪示本發明之一實施例，其中各電力供應器包括一電力轉換器、用以控制一可變輸出阻抗使電力供應器之間的一電流失衡減少並改善穩態調節之一負回授迴路；圖7係指出不同有效輸出阻抗之一V/I平面中之多個負載調節斜率的一作圖；圖8繪示用以控制可變輸出阻抗之一多斜率輸出阻抗控制器之一實施例；圖9係一作圖，其繪示起動期間主動切換式電力轉換器之間的一環流Ic，其中輸出阻抗在起動週期內於高位準與低位準之間變化，用以初始抑制Ic，然後改善調節；圖10係一作圖，其繪示穩態期間主動切換式電力轉換器之間的一環流Ic，其中輸出阻抗以輸出電流為函數在高位準與低位準之間變化，用以在低電流位準下抑制Ic，並且用以在高電流位準下改善調節；圖11係輸出電壓Vout與負載電流IL之對照關係的一作圖，其繪示組配多斜率輸出阻抗控制器為一單一電力供應器提供最佳調節之能力；以及圖12係帶有初級側調節及被動整流之一返馳電力轉換器之一實施例；圖13係帶有初級側調節及同步整流之一返馳電力轉換器之一實施例。

600:電力供應器

602:公用負載

604:負載端子

606:並聯連接電力供應器

608:電力轉換器

610:負回授控制器

612:多斜率輸出阻抗控制器

614:相依源

Claims

一種調節式電力供應器，其被組配用以向連接於一負載端子處之一公用負載供應電力，該電力供應器包含：複數N個並聯連接電力供應器，其處於一無主組態中，被組配用以向該負載端子供應電力，各該電力供應器包含，一電力轉換器，其回應於一命令Vx_n以在一有效輸出阻抗Zeff_n兩端產生一可控制電壓Vc_n，用來在透過一外部輸出阻抗Zext_n耦接至該負載端子之一輸出處供應一輸出電流Iout_n；一負回授控制器，其被組配用以提供一負回授迴路，其中位處該輸出處之一經調節電壓Vreg_n係與一設定點電壓Vsetpoint_n作比較以控制命令Vx_n，用來維持Vreg_n及位處該負載端子之一輸出電壓Vout的調節以供改變負載電流IL；以及一多斜率輸出阻抗控制器，其回應於指出Iout_n之一電流Isense_n以控制Vsetpoint_n，使得Vreg_n隨著Iout_n增加而降低以促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔，用來在Iout_n小於一指定值時命令Zeff_n之一高值以減少該等電力供應器之間的電流失衡Ib，並且用來在Iout_n大於該指定值時命令Zeff_n之一低值以改善該輸出電壓Vout之該調節。
如請求項1之調節式電力供應器，其中該多斜率輸出阻抗控制器包含：一係數產生器控制器(CGC)，其回應於Isense_n及一電壓參考Vref_n以產生一電流參考、一增益命令、一濾波命令及一設定點命令；一電流誤差放大器，其將Isense_n與該電流參考作比較以產生一誤差信號；一可規劃增益放大器，其回應於該增益命令以命令Zeff_n之該高值及該低值，並且放大該誤差信號；一濾波器，其回應於該濾波命令以對該經放大誤差信號進行濾波，用來將一輸出阻抗控制迴路之一頻寬限制為小於對Vreg進行控制之該負回授迴路之一頻寬；以及一放大器，其回應於該經濾波放大誤差信號及該設定點命令以產生該設定點電壓Vsetpoint_n，使得當Isense_n大於該電流參考時，該設定點電壓Vsetpoint_n降低。
如請求項2之調節式電力供應器，其中該CGC經由該濾波命令組配該濾波器，使得該輸出阻抗控制迴路之該頻寬追蹤對Vreg進行控制之該負回授迴路之該頻寬。
如請求項2之調節式電力供應器，其中該CGC在穩態期間係可組配，用來產生該增益命令以設定一負增益，從而Zeff_n之一負值作為該低值以部分抵消Zext_n之一正值，用來減少一總正輸出阻抗Zout_n以改善調節，同時促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔。
如請求項1之調節式電力供應器，其中各電力轉換器係經被動整流以互斥或(XOR)處理匯集或來源Iout_n送至負載端，其中該控制器命令Zeff_n之該高值及該低值，使得所有N個PC都在受支援負載電流之一指定範圍內分擔該負載電流之匯集或源出。
如請求項1之調節式電力供應器，其中各電力轉換器係經同步整流以向該負載端子匯集及源出Iout_n，其中該控制器在空載下於Iout ＞ 2*IC時命令Zeff_n之該低值，使得該負載下之IC大約為零，其中IC係該等電力供應器之間的一環流。
如請求項1之調節式電力供應器，其中各該多斜率輸出阻抗控制器回應於一起始同步命令，用來實施一起動程序以產生用以使電壓Vc_n斜變之該命令Vx_n，因此該經調節電壓Vreg_n針對設定點電壓Vsetpoint_n自一初始起始值上升至一初始值，同時命令Zeff_n在一起動週期內從該高值移動至該低值。
如請求項7之調節式電力供應器，其中該等多斜率輸出阻抗控制器全都被組配用以接收一公用起始同步命令以初始化該起動程序。
如請求項7之調節式電力供應器，其中各該多斜率輸出阻抗控制器被組配用以命令Zeff_n之該高值，用來促進負載電流分擔並在該起動程序初發時降低電流失衡Ib，以及用來命令Zeff_n之該低值，一旦Iout_n之幅度大到足以在Zeff_n之該低值下促進負載電流分擔，便將Zeff_n設定為處於一標稱值以供穩態操作。
如請求項1之調節式電力供應器，其中各該多斜率輸出阻抗控制器被組配用以實施一穩態程序，其中產生命令Vx_n以控制Vc_n，用來控制Vout之調節，同時回應於Isense而命令Zeff_n以隨著Isense變化在該高值與該低值之間移動，使得Zeff_n隨著Iout_n增加而降低。
如請求項10之調節式電力供應器，其中該輸出阻抗控制器在穩態期間係可組配，用來為Zeff_n設定一負值以部分地抵消Zext_n用之一正值，將一總正輸出阻抗Zout降低以改善調節，同時在該等電力供應器間維持該負載電流之分擔。
如請求項1之調節式電力供應器，其中各該多斜率輸出阻抗控制器被組配用以實施一起動程序及一穩態程序，其中在該起動程序期間，該控制器回應於一起始同步命令以產生該命令Vx_n使電壓Vc_n斜變，因此該經調節電壓Vreg_n自零伏特向上升至該設定點電壓Vsetpoint_n，同時命令Zeff_n自用以降低該電流失衡Ib之一起動高值移動至用以於一起動週期內改善負載調節之一起動低值；以及其中在該穩態程序期間，該控制器命令Vx_n控制Vout之調節，同時命令Zeff_n隨著Isense變化在穩態高值與低值之間移動，使得Zeff_n隨著Iout_n增加而減小，用以在Iout_n處於低位準時減少電流失衡Ib，並且用以在Iout_n處於高位準時改善負載調節。
如請求項1之調節式電力供應器，其中該多斜率輸出阻抗控制器回應於一模式輸入以選擇單一或多個電力轉換器組態，其中在N ＞ 1之該多組態中，該控制器被組配用以隨著輸出電流Iout_n增加而降低該設定點電壓Vsetpoint_n，用來促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔，以及用來為小於該指定值之Iout_n命令Zeff_n之該高值以減少該電流失衡Ib，並且用來為大於該指定值之Iout_n命令Zeff_n之該低值以改善負載調節；其中在N=1之該單一組態中，該控制器被組配用以為Zeff_n設定一負值，用來實質抵消Zext_n之一正值以隨著輸出電流Iout_n增加而增加該設定點電壓Vsetpoint_n，使負載調節改善。
如請求項13之調節式電力供應器，其中在N ＞ 1之該多組態中，該控制器被組配用以實施一起動程序及一穩態程序，其中在該起動程序期間，該控制器回應於一起始同步命令以產生該命令Vx_n使電壓Vc_n斜變，因此該經調節電壓Vreg_n自零伏特向上升至該設定點電壓Vsetpoint_n，同時命令Zeff_n自用以降低該電流失衡Ib之一起動高值移動至用以於一起動週期內改善負載調節之一起動低值；以及其中在該穩態程序期間，該控制器命令Vx_n控制Vout之調節，同時回應於Isense而命令Zeff_n隨著Isense變化在穩態高值與低值之間移動，使得Zeff_n隨著Iout_n增加而減小，用以在Iout_n處於低位準時減少電流失衡Ib，並且用以在Iout_n處於高位準時改善負載調節。
一種調節式電力供應器，其被組配用以向連接於一負載端子處之一公用負載供應電力，該電力供應器包含：一或多(N)個並聯連接電力供應器，其處於一無主組態中，被組配用以向該負載端子供應電力，各該電力供應器包含，一電力轉換器，其回應於一命令Vx_n以在一有效輸出阻抗Zeff_n兩端產生一可控制電壓Vc_n，用來在透過一外部阻抗Zext_n耦接至該負載端子之一輸出處供應一輸出電流Iout_n；一負回授控制器，其係經連接以提供一負回授迴路，其中位處該輸出處之一經調節電壓Vreg_n係與一設定點電壓Vsetpoint_n作比較以控制命令Vx_n，用來調節Vreg_n及位處該負載端子之一輸出電壓Vout以供改變負載電流Iload；以及一多斜率輸出阻抗控制器，其被組配用以感測指出Iout_n控制Vsetpoint_n以對Vreg_n及Vout之調節進行控制之一電流Isense_n，該控制器係回應於一模式輸入以擇一選擇一單一電力供應器或一多電力供應器組態，其中在N ＞ 1之該多組態中，該控制器被組配用以隨著輸出電流Iout_n增加而降低該設定點電壓Vsetpoint_n，用來促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔，為小於一指定值之Iout_n命令Zeff_n之一高值以減少該等電力供應器之間的一電流失衡Ib，並且用來為大於該指定值之Iout_n命令Zeff_n之一低值以改善調節；以及其中在N=1之該單一組態中，該控制器被組配用以為Zeff_n設定一負值，用來實質抵消Zext_n之一正值以隨著輸出電流Iout_n增加而增加該設定點電壓Vsetpoint_n，使負載調節改善。
如請求項15之調節式電力供應器，其中在N ＞ 1之該多組態中，該控制器被組配用以實施一起動程序及一穩態程序，其中在該起動程序期間，該控制器回應於一起始同步命令以產生該命令Vx_n使電壓Vc_n斜變，因此該經調節電壓Vreg_n自一初始值向上升至該設定點電壓Vsetpoint_n，同時命令Zeff_n自用以降低該電流失衡Ib之一起動高值移動至用以於一起動週期內改善負載調節之一起動低值；以及其中在該穩態程序期間，該控制器命令Vx_n控制Vout之調節，同時回應於Isense而命令Zeff_n隨著Isense_n變化在一穩態高值與低值之間移動，使得Zeff_n隨著Iout_n增加而減小，用以在Iout_n處於低位準時減少電流失衡Ib，並且用以在Iout_n處於高位準時改善負載調節。
如請求項15之調節式電力供應器，其中該多斜率輸出阻抗控制器包含：一係數產生器控制器(CGC)，其回應於Isense_n及一電壓參考Vref_n以產生一電流參考、一增益命令、一濾波命令及一設定點命令；一電流誤差放大器，其將Isense_n與該電流參考作比較以產生一誤差信號；一可規劃增益放大器，其回應於該增益命令以命令Zeff_n之該等高值及低值，並且放大該誤差信號；一濾波器，其回應於該濾波命令以對該經放大誤差信號進行濾波，用來將一輸出阻抗控制迴路之一頻寬限制為小於對Vreg進行控制之該負回授迴路之一頻寬；以及一放大器，其回應於該經濾波放大誤差信號及該設定點命令以產生該設定點電壓Vsetpoint_n，使得當Isense_n大於該電流參考時，該設定點電壓Vsetpoint_n降低。
如請求項17之調節式電力供應器，其中該CGC組配該濾波器，使得該輸出阻抗控制迴路之該頻寬追蹤對Vreg進行控制之該負回授迴路之該頻寬。
如請求項15之調節式電力供應器，其中該CGC在穩態期間係可組配，用來產生該增益命令以設定一負增益，從而Zeff_n之一負值以部分抵消Zext_n之一正值，用來減少一總正輸出阻抗Zout_n以改善調節，同時促進該複數個電力供應器間之負載電流分擔。
如請求項16之調節式電力供應器，其中各電力轉換器係經主動式整流以向該負載端子匯集及源出Iout，其中對於N＞1，該控制器在空載下於Iout ＞ 2*IC時命令Zeff_n之該低值，使得該負載下之IC大約為零，其中IC係該等電力供應器之間的一環流。
一種調節式電力供應器，其被組配用以向連接於一負載端子處之一公用負載供應電力，該電力供應器包含：一電力轉換器，其回應於一命令Vx以在一有效阻抗Zeff兩端產生一可控制電壓Vc，用來在透過一外部阻抗Zext耦接至該負載端子之一輸出處供應一輸出電流Iout；一負回授控制器係經連接以提供一負回授迴路，其中位處該輸出處之一經調節電壓Vreg係與一設定點電壓Vsetpoint作比較以控制命令Vx，用來維持位處該負載端子之一輸出電壓Vout的調節以供改變負載電流IL；以及一多斜率輸出阻抗控制器，其被組配用以感測指出Iout控制Vsetpoint_n並設定Zeff處於一負值之一電流Isense，用來實質抵消Zext之該正值以最佳化該輸出電壓Vout之調節。