本發(fā)明涉及，特別是使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法。

背景技術：

1、人工智能、5g技術和云計算等帶來的數據和計算的爆發(fā)式增長推動了數據中心電源的迅速發(fā)展。作為數據中心電源的直接供電單元，48v：1v兩級式電壓調節(jié)器（vrm）為gpu、cpu和asic等用電設備提供大降壓比、大輸出電流的功率變換，在功率容量和功率密度需求逐步升高的同時，迅速、可靠的瞬態(tài)響應也是其當前面臨的主要挑戰(zhàn)。

2、圖1所示為兩級式vrm架構的示意圖，第一級可以實現為llc-dcx固定增益變換器，第二級可以實現為多相交錯buck。為實現平穩(wěn)的電壓輸出，降低輸出電壓紋波，宜增大多相交錯buck變換器的輸出電感；相反，為實現迅速的瞬態(tài)響應，使輸出電壓避免在負載突增和負載突減時出現較大的下沖和上沖并迅速恢復穩(wěn)態(tài)，宜減小多相交錯buck變換器的輸出電感。因此，vrm的設計存在穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化和瞬態(tài)性能優(yōu)化的矛盾。

3、主變換器以穩(wěn)態(tài)為優(yōu)先目標而設計，并將輔助電路連接到buck變換器輸出端，在輸出電壓發(fā)生下沖和上沖時，分別注入和抽取電流，可以降低過沖振幅，使vrm可以在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)都表現出良好的性能，目前公開發(fā)表的實施方法如圖2所示。圖2的(a)?搭建有源電子電容器連接在輸出端，圖2的(b)采用輔助buck并聯在第二級dc/dc變換器。

4、上述實施方法存在的問題有：

5、（1）輔助buck與第二級dc/dc主電路buck并聯，對主電路buck瞬態(tài)響應優(yōu)化能力有限；（2）電子電容器輔助電路器件數量多，控制復雜。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，能夠在不改變主變換器硬件結構和控制方法的基礎上進一步提升優(yōu)化效果。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，系統構成由dcx、多相交錯buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構成的兩級式主變換器和并聯單級旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關器件sa1、第二開關器件sa2和一個電感器 la；

3、采用多閾值比較賦權進行狀態(tài)判定方法，比較變量包括輸出電壓的瞬時值 uo和微分值d uo/d t、輸出電流 io的微分值d io/d t和輸出電容的電流 ic的微分值d ic/d t，對應變量的負載突增比較閾值分別為 uth1、 uth1'、 ioth1'和 icth1'，負載突減比較閾值分別為 uth2、 uth2'、 ioth2'和 icth2'，對應權值分別為 p1~ p4，判斷變量為 p，判斷變量的負載突增和負載突減比較閾值分別為 pth1和 pth1。

4、在一較佳的實施例中，當負載穩(wěn)定時，即輸出電流變化幅值遠小于系統功率容量允許的變化幅值，或變化速度導致的輸出電壓下沖和上沖幅值遠小于輸出電壓幅值時，僅由主變換器完成功率變換，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2處于關斷狀態(tài)，電感器 la中無電流。

5、在一較佳的實施例中，當檢測到系統的負載突增時，第一開關器件sa1首先通過第一開關器件sa1驅動信號控制導通，電感器 la電流迅速上升，輔助電路向負載側注入電流；持續(xù)一段時間至t2時，第一開關器件sa1關斷，第二開關器件sa2導通，電感器 la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)向負載側注入電流；在t3時，電感器 la電流降低至0，第二開關器件sa2關斷；電感器 la電流從0開始變化直回到0，稱為輔助電路的一個操作周期；在一次負載突增事件中，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2驅動信號脈沖只出現一次，或周期性地或關于時間非線性地出現多次，以靈活控制電感器 la電感電流斜率。

6、在一較佳的實施例中，當檢測到系統的負載突減時，第二開關器件sa2首先通過第二開關器件sa2驅動信號控制導通，電感器 la電流反向上升，輔助電路從負載側抽取電流；持續(xù)一段時間至t5時，第二開關器件sa2關斷，第一開關器件sa1導通，電感器 la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)從負載側抽取電流；在t6時，電感器 la電流降低至0，第一開關器件sa1關斷；在一次負載突減事件中，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2驅動信號脈沖只出現一次，或周期性地或關于時間非線性地出現多次，以靈活控制電感器 la電感電流斜率。

7、與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

8、（1）兼容主變換器的各種不同控制策略

9、所述方法能夠在不改變主變換器硬件結構和控制方法的基礎上進一步提升優(yōu)化效果。主變換器的控制環(huán)路與輔助電路的控制環(huán)路可以相互解耦，任何針對瞬態(tài)響應速度的主變換器控制優(yōu)化策略均可以在本方案的主變換器上實施，而輔助電路能夠在此基礎上進一步提升瞬態(tài)響應速度。由于輔助電路在負載穩(wěn)定時不動作，所以對系統變換效率幾乎無影響。

10、（2）利用兩級結構的高電壓差實現注入電流的迅速提升

11、相比電子電容器或并聯在第二級dc/dc變換器上的并聯buck輔助電路，本方案在應對負載突增導致的輸出電壓下沖時，輔助電路通過兩級主變換器前后更高的電壓差實現更快的補償電流，能夠更顯著地降低輸出電壓下沖幅值，在大功率vrm領域表型更佳性能。

12、（3）檢測方法多樣，控制方式靈活

13、采用多閾值比較賦權進行狀態(tài)判定方法，可以以數字處理器采樣實現，也可以使用模擬電路實現；可以增加或減少比較變量的數量，在保證狀態(tài)判斷可靠的前提下最少化邏輯運算。

技術特征：

1.使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，其特征在于，系統構成由dcx、多相交錯buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構成的兩級式主變換器和并聯單級旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關器件sa1、第二開關器件sa2和一個電感器la；

2.根據權利要求1所述的使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，其特征在于，當負載穩(wěn)定時，即輸出電流變化幅值遠小于系統功率容量允許的變化幅值，或變化速度導致的輸出電壓下沖和上沖幅值遠小于輸出電壓幅值時，僅由主變換器完成功率變換，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2處于關斷狀態(tài)，電感器la中無電流。

3.根據權利要求1所述的使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，其特征在于，當檢測到系統的負載突增時，第一開關器件sa1首先通過第一開關器件sa1驅動信號控制導通，電感器la電流迅速上升，輔助電路向負載側注入電流；持續(xù)一段時間至t2時，第一開關器件sa1關斷，第二開關器件sa2導通，電感器la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)向負載側注入電流；在t3時，電感器la電流降低至0，第二開關器件sa2關斷；電感器la電流從0開始變化直回到0，稱為輔助電路的一個操作周期；在一次負載突增事件中，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2驅動信號脈沖只出現一次，或周期性地或關于時間非線性地出現多次，以靈活控制電感器la電感電流斜率。

4.根據權利要求1所述的使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，其特征在于，當檢測到系統的負載突減時，第二開關器件sa2首先通過第二開關器件sa2驅動信號控制導通，電感器la電流反向上升，輔助電路從負載側抽取電流；持續(xù)一段時間至t5時，第二開關器件sa2關斷，第一開關器件sa1導通，電感器la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)從負載側抽取電流；在t6時，電感器la電流降低至0，第一開關器件sa1關斷；在一次負載突減事件中，第一開關器件sa1、第二開關器件sa2驅動信號脈沖只出現一次，或周期性地或關于時間非線性地出現多次，以靈活控制電感器la電感電流斜率。

技術總結
本發(fā)明涉及使用并聯單級旁路斬波器提升兩級式電壓調節(jié)器模塊瞬態(tài)響應速度的方法，系統構成由DCX、多相交錯Buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構成的兩級式主變換器和并聯單級旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關器件S<subgt;a1</subgt;、第二開關器件S<subgt;a2</subgt;和一個電感器L<subgt;a</subgt;；應用本技術方案能夠在不改變主變換器硬件結構和控制方法的基礎上進一步提升優(yōu)化效果。

技術研發(fā)人員：張藝明,張韜,謝鴻彪,陳孝鶯,毛行奎
受保護的技術使用者：福州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19