單相諧振變換器以及多相諧振變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開設(shè)及諧振變換器并且更具體地設(shè)及單相諧振變換器W及多相諧振變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在服務(wù)器和數(shù)據(jù)中屯、領(lǐng)域的配電不斷擴(kuò)張。對(duì)于運(yùn)些電子設(shè)備的不斷改進(jìn)，期望 最大化為它們供電的電壓變換器的效率，W便降低用于提供相同的使用功率所提供的功 率，W便限制環(huán)境中的熱耗散，它們被安裝在環(huán)境中并且因此功率由有關(guān)的冷卻器具吸收。
[0003] 存在由市電電壓供電W生成針對(duì)處理器的Vw。供電電壓的各種電壓分配系統(tǒng)。目 前，市電電壓被變換為通過主供電總線分配的第一電壓，然后被變換為分布在中間總線上 的第二更低電壓（通常12V)并且最終變換為處理器的供電電壓V。?。為了優(yōu)化處理器上游 的系統(tǒng)的效率，主供電總線處在48V的電壓。
[0004] 因此應(yīng)當(dāng)選擇，要么通過12V的中間總線使用48V的主供電總線W便縮短瞬變響 應(yīng)，要么直接從48V的總線W便增加變換效率，來調(diào)節(jié)處理器的電壓。
[0005] 用于在兩級(jí)系統(tǒng)（48V-12V-Vw。）中實(shí)現(xiàn)第二變換的解決方案是使用多相切換調(diào)節(jié) 器，其允許具有對(duì)負(fù)載瞬變的最優(yōu)響應(yīng)、從負(fù)載汲取電流（汲取模式）的可能性W及保持該 級(jí)本身的良好效率。在多相降壓變換器中，由于不同的控制技術(shù)，有可能滿足對(duì)于負(fù)載瞬變 W及對(duì)于參考電壓的變化的響應(yīng)規(guī)格。然而，運(yùn)些變換器W低占空比工作，并且提供雙重電 壓變換，從供電總線電壓48V變換下降到最終電壓Vcp。，生成中間電壓12V。
[0006] 使用電壓諧振變換器來生成適于對(duì)處理器供電的電平的已調(diào)節(jié)電壓是已知的。 LHuber等人的文章"1.8MHz48VResonantVRM:Analysis,DesignandPerformance Evaluation"，IEEETrans.OnPowerElectronics,Vol. 21,No.I,January2006,公開了圖 I中示出的類型的電壓諧振變換器。它具有初級(jí)半橋切換級(jí)，用于促使AC電流通過初級(jí)繞 組，初級(jí)繞組由與次級(jí)繞組磁禪合的N個(gè)環(huán)組成，次級(jí)繞組與用于形成諧振電路的電容并 聯(lián)電連接。第一次級(jí)電感器Ln和第二次級(jí)電感器LP2協(xié)作W便向負(fù)載LOAD提供所請(qǐng)求的 電流10。次級(jí)電感器Ln和Lp2上的電壓在它們之間是異相的，并且它們的相互異相通過由 圖2中的命令電路所命令的開關(guān)Qi和Q2進(jìn)行調(diào)節(jié)，W便調(diào)節(jié)負(fù)載處的電壓V。。命令電路實(shí) 現(xiàn)固定頻率控制技術(shù)，其中通過使在次級(jí)側(cè)處的開關(guān)的接通/關(guān)斷（on/off)信號(hào)SR相對(duì) 于在初級(jí)側(cè)處的半橋的開關(guān)的接通/關(guān)斷信號(hào)異相來獲得在次級(jí)電感器Ln和LP2之間的期 望的異相。該異相通過誤差放大器EA的電壓并且因此通過輸出電壓V。和參考電壓之間的 差值來確定。
[0007] 該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是并聯(lián)連接模塊的可能性，因?yàn)樗ぷ髟诠潭l率并且因此模 塊可W輕易地操作為在其間交錯(cuò)。
[0008] 然而，它呈現(xiàn)眾多缺點(diǎn)，其中：
[0009] 1)由于固定的工作頻率而對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)的延遲；
[0010] 2)在次級(jí)電感器處的依賴于由誤差放大器EA操作的補(bǔ)償?shù)碾妷簞?dòng)態(tài)特性；
[0011] 3)僅在特定占空比的系統(tǒng)效率最優(yōu)；
[0012] 4)由于復(fù)雜的控制規(guī)律帶來的補(bǔ)償?shù)睦щy；
[0013] 5)它不允許W汲取模式工作。
[0014] 由于高切換頻率（通常是1. 8MHz等量物）的使用，第一個(gè)缺點(diǎn)被最小化，但是該 選擇意味著在初級(jí)側(cè)（皿）處和在次級(jí)側(cè)（SR)處切換損耗（通常是MOSFET的切換損耗） 的增加。
[0015] 第二個(gè)缺點(diǎn)是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)樗赡軙?huì)危及變換器的可靠性。事實(shí)上，次級(jí)電 感器的充電階段的持續(xù)時(shí)間由誤差放大器EA確定，在過于激進(jìn)的補(bǔ)償，甚至是不穩(wěn)定的補(bǔ) 償?shù)那闆r下，在初級(jí)側(cè)上的漏電感可W是過度的，并且可能將在次級(jí)電感器處的電壓增加 到可能使次級(jí)開關(guān)（通常地，M0SFET)在相應(yīng)的安全操作區(qū)W外工作的值。
[0016] 此外，第=個(gè)缺點(diǎn)是由于固定的工作頻率。次級(jí)側(cè)的每個(gè)半波在次級(jí)電感器處的 持續(xù)時(shí)間本質(zhì)上由變換器的諧振頻率確定，諧振頻率是固定的量并且為了簡單起見假設(shè)該 半波是矩形的。因此，為了調(diào)節(jié)具有特定占空比的電壓，變換器必須通過對(duì)漏電感預(yù)充電而 增加次級(jí)側(cè)處的半波的峰值。由命令回路施加的運(yùn)個(gè)行為使得流過MOSFET的電流的rms 值大于對(duì)于W任何占空比遞送輸出電流所要求的最小值。最優(yōu)化將僅發(fā)生在輸出電壓處， 使得次級(jí)側(cè)的半波的峰值與按照變壓器的因子N縮放的輸入電壓（加上由于諧振的最終差 值）相當(dāng)。
[0017] 該輸出電壓是約VOUT=Tres/Tsw*VIN，其中VIN是輸入電壓，Tres是次級(jí)側(cè)的每 個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間，等于諧振周期，Tsw是次級(jí)側(cè)處每個(gè)開關(guān)的切換頻率的倒數(shù)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[001引將期望實(shí)現(xiàn)直接從48V的總線下降到微處理器的（或者通用低電壓負(fù)載的）供電 電壓的電壓變換，確保反饋回路在所有運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性，并且當(dāng)參考電壓和輸入電壓 變化時(shí)保持調(diào)制增益恒定。使用該技術(shù)，將獲得高效率的變換并且同時(shí)將獲得與降壓變換 器、最終也與多相降壓變換器的響應(yīng)可比的對(duì)負(fù)載瞬變或者對(duì)參考變化的快速響應(yīng)。
[0019] 本公開的第一實(shí)施例是諧振變換器，包括：
[0020] 初級(jí)切換電路，至少具有初級(jí)繞組和被配置為驅(qū)動(dòng)所述初級(jí)繞組的初級(jí)全橋切換 級(jí)，
[0021] 次級(jí)諧振電路，具有與初級(jí)繞組磁禪合的次級(jí)繞組、與次級(jí)繞組并聯(lián)電連接的諧 振電容器（Ck)、分別連接在變換器的輸出端子和諧振電容器（Ck)的相應(yīng)端子之間的第一次 級(jí)電感器化1)和第二次級(jí)電感器化2)，
[0022] 次級(jí)整流級(jí)，與諧振電容器（Ck)并聯(lián)電連接，具有連接W形成具有連接到地的中 間抽頭的半橋的第一和第二兩個(gè)開關(guān)，W及
[0023] 反饋命令電路，被配置為：
[0024] 將代表在諧振變換器的輸出端子處可獲得的輸出電壓（VOUT)和通過所述輸出端 子遞送的輸出電流化IOUT)的反饋信號(hào)（V0UT、KI0UT)接收進(jìn)輸入，
[0025] 將在所述諧振電容器（Ck)的端子處可獲得的參考地的電壓（PH1、PH2)接收進(jìn)輸 入，
[00%] 接通/關(guān)斷所述初級(jí)切換級(jí)的和次級(jí)整流級(jí)的開關(guān)，
[0027]將在所述諧振電容器（Ck)的端子處可獲得的參考地的電壓接收進(jìn)輸入。
[0028] 當(dāng)該諧振電容器被命令使得循環(huán)地執(zhí)行W下操作序列時(shí)，它呈現(xiàn)高變換效率和與 降壓變換器的對(duì)負(fù)載瞬變的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)?shù)膶?duì)負(fù)載瞬變的響應(yīng)時(shí)間：
[0029] DSTOPl,接通初級(jí)切換級(jí)的低側(cè)開關(guān)W及所述次級(jí)整流級(jí)的兩個(gè)開關(guān)，并且關(guān)斷 初級(jí)切換級(jí)的高側(cè)開關(guān)；
[0030] 2化肥RGY1+START1，切換初級(jí)切換級(jí)的開關(guān)W便使用正半波激勵(lì)初級(jí)電路，同時(shí) 保持次級(jí)整流級(jí)的開關(guān)接通并且監(jiān)測(cè)流過次級(jí)整流級(jí)的所述第一開關(guān)的電流；
[0031] 3)RELEASE1，當(dāng)檢測(cè)到流經(jīng)所述第一開關(guān)的電流的過零條件時(shí)，關(guān)斷次級(jí)整流級(jí) 的第一開關(guān)并且監(jiān)測(cè)第一開關(guān)處的電壓；
[0032] 執(zhí)行W下兩個(gè)操作之一：
[0033] 4a)DISCHARGEl，在次級(jí)整流級(jí)的第一開關(guān)處的電壓無效之前，關(guān)斷低側(cè)開關(guān)并接 通所述初級(jí)切換級(jí)的高側(cè)開關(guān)。
[0034] 或者
[0035] 4b)RECTIFICATI0Nl，在次級(jí)整流級(jí)的第一開關(guān)處的電已經(jīng)被無效之后，切換初 級(jí)切換級(jí)的開關(guān)使得用正半波激勵(lì)初級(jí)電路，從而保持次級(jí)整流級(jí)的開關(guān)接通；
[0036] 執(zhí)行從1到4a或4b的步驟，在它們之間交換初級(jí)切換級(jí)的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的角 色，在它們之間交換次級(jí)整流級(jí)的第一開關(guān)和第二開關(guān)的角色W便使用正半波激勵(lì)初級(jí)電 路。
[0037] 根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例，一種單相諧振變換器包括：
[0038] 初級(jí)切換電路，具有初級(jí)繞組和被配置為驅(qū)動(dòng)所述初級(jí)繞組的初級(jí)切換級(jí)；
[0039] 次級(jí)諧振電路，具有磁禪合到所述初級(jí)繞組的次級(jí)繞組、并聯(lián)電連接到所述次級(jí) 繞組的諧振電容器、W及分別禪合在所述變換器的輸出端子和所述諧振電容器的相應(yīng)端子 之間的第一次級(jí)電感器和第二次級(jí)電感器；
[0040] 次級(jí)整流級(jí)，與所述諧振電容器并聯(lián)電連接，并且具有第一開關(guān)和第二開關(guān)，所述 第一開關(guān)和所述第二開關(guān)禪合W形成具有禪合到地的中間抽頭的半橋；
[0041] 反饋命令電路，被配置為：
[0042] 接收代表在所述諧振變換器的所述輸出端子處的輸出電壓和通過所述輸出端子 遞送的輸出電流的反饋信號(hào)；
[0043] 接收在所述諧振電容器的所述端子處的電壓；
[0044] 命令所述初級(jí)切換級(jí)的和所述次級(jí)整流級(jí)的開關(guān)的接通/關(guān)斷；
[0045] 獨(dú)立于彼此地接通/關(guān)斷所述次級(jí)整流級(jí)的所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)W及 所述初級(jí)切換級(jí)的所述開關(guān)，用于循環(huán)地執(zhí)行W下操作序列：
[0046] 1)接通所述初級(jí)切換級(jí)的低側(cè)開關(guān)和次級(jí)整流級(jí)的第一開關(guān)和第二開關(guān)，并且關(guān) 斷所述初級(jí)切換級(jí)的高側(cè)開關(guān)，
[0047] 2)切換所述初級(jí)切換級(jí)的所述開關(guān)，從而利用正半波激勵(lì)所述初級(jí)切換電路，同 時(shí)保持所述次級(jí)整流級(jí)的所述開關(guān)接通并且監(jiān)測(cè)流過所述第一開關(guān)的電流；
[0048] 3)關(guān)斷所述第一開關(guān)并且監(jiān)測(cè)在所述第一開關(guān)處的電壓，響應(yīng)于檢測(cè)到流經(jīng)所 述第一開關(guān)的所述電流的過零條件；
[0049] 執(zhí)行W下兩個(gè)操作之一：
[0050] 4a)在所述第一開關(guān)處的所述電壓無效之前，關(guān)斷所述低側(cè)開關(guān)并接通所述高側(cè) 開關(guān)， W川或者
[0052] 4b)在所述第一開關(guān)處的所述電壓已經(jīng)被無效之后，切換所述初級(jí)切換級(jí)的所述 開關(guān)，從而利用正半波激勵(lì)所述初級(jí)切換電路，保持所述次級(jí)整流級(jí)的所述開關(guān)接通；
[0053] 5)接通所述低側(cè)開關(guān)W及所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)，并且關(guān)斷所述高側(cè)開 關(guān)；
[0054] 6)切換所述初級(jí)切換級(jí)的所述開關(guān)，從而利用負(fù)半波激勵(lì)所述初級(jí)電路，同