一种耦合电感直流-直流电源转换器制造技术

本公开涉及一种耦合电感直流‑直流电源转换器。一种DC‑DC功率转换器设备具有公共的磁芯结构，其通过将每个集成到公共磁芯中来服务于变压器设备和输出电感器的功能。变压器设备具有集成在磁芯的第一支路结构中的初级和次级绕组，并且输出电感器设备具有集成到磁芯的第二支路结构中的输出电感器绕组，当在初级绕组结构上施加周期性切换的输入电压时，输出电感器绕组用于将输出电流输送到负载。变压器次级绕组结构和输出电感器绕组结构的绕组极性提供相反方向的电动势(EMF)极性，以在通过变压器，通过输出电感器将电力输入到输出负载时，显著减小到输出负载的输出电流纹波。公共磁芯的第三支路结构允许调节在输出电流纹波最小化下的输出电流。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合电感直流-直流电源转换器关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在美国能源部授予的合同号B621073的政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
本专利技术一般涉及直流-直流(DC-DC)功率转换器，以及具有减小的输出电流纹波并且避免谐振能量存储的改进的DC-DC功率转换器。
技术介绍
现代高性能计算机处理器和专用集成电路(ASIC)需要在低电压下的高电流。如今典型处理器可能需要0.7V至1.1V的核心电压，峰值电流超过200A。放置在处理器附近的DC-DC稳压器可以最大限度地减小高电流必须通过的从稳压器电源到处理器负载的电路板的距离。可以并联使用几个DC-DC转换器，以便提供更高的总负载电流。每个转换器的典型电流为40A至60A。系统通常并联使用一至八个转换器。向DC-DC转换器输送电力的普遍存在的设备是在系统抽屉或机架内分配12V中间总线。分配12V所涉及的高电流可能对具有高功率的系统或在整个机架中将中间总线分布在较长距离上的系统提出挑战。承载12V中间总线的导体会耗散大小为电流的平方乘以导体的电阻功率。随着功率上升或电流增加，损耗随负载电流的平方增加。为了降低电阻，需要更大的铜横截面，从而导致更重的电缆，更多的连接器引脚以及印刷电路板(PCB)中更多的铜层。分配中间总线功率的众所周知的解决方案提高电压以减小电流。业界已经通过机构监管建立了低于60V的电压被认为是安全的，并且不要求制定特殊规定来保护人们不能接触这些电路。在业界，48V中间总线是电信硬件系统以及具有中间总线机架级分布的一些其他系统广泛采用的解决方案。在某些系统中，转换器将48V直流中间总线转换为12V直流，以便仍可使用传统的12V至处理器电压DC-DC转换器。因此，系统从48V到处理器电压的整体DC-DC功率转换器包括多个串联的功率转换级。每个功率转换级占用物理空间并消耗功率。一些业界采用的另一种选择是在单个转换步骤阶段中直接从48V直流中间电压转换到低于1V的处理器电压。由于中间总线电流减少了4倍，这种设计既消除了48V至12V单独转换级的功率损耗、体积和材料成本，又降低了中间总线分布损耗。此外，对于转换器的开关周期的一部分，通用12V至低于1VDC-DC转换器不具有变压器并且使用开关或二极管直接从12V中间总线连接到输出电感器。然而，对于48V范围内的较高电压中间总线，将输出开关设备直接连接到中间总线变得困难。48V到电感开关的“导通时间”很短，占空比小，开关时序难以控制。因此，现在许多厂商正在设计48V至包含变压器的低于1VDC-DC转换器，并且具有连接在变压器次级端和输出电感器之间的开关次级端场效应晶体管(FET)。迄今为止，基于变压器的业界DC-DC转换器设计具有单独的变压器和电感器。这些变压器和电感器的磁性铁氧体磁芯占用了大量的物理体积，使基于变压器的DC-DC转换器的空间和成本效率降低。
技术实现思路
本公开的实施例涉及一种具有变压器的DC-DC功率转换器，其中定义变压器的初级端和次级端上的开关的相对定时，以便同时接通初级主开关和次级主开关，从而避免谐振能量存储。避免谐振能量存储提供了空间节省，因为磁场密度不超过磁性材料的饱和磁场密度下，变压器磁芯中的给定体积的磁性材料可以在每单位时间内通过变压器传递更多能量。在一个实施例中，所述DC-DC功率转换器通过将转换器的变压器和电感器磁性铁氧体磁芯组合成单个结构并且通过正确地限定变压器次级和电感器绕组的极性来改善该DC-DC转换器的空间效率和电性能，因此只需要很小的电感值，从而可以使磁芯体积变小。以这种在共同体积的磁性材料中共享两个磁功能的方式提供了空间节省。在一个方面，一种用于DC到DC功率转换器设备的磁路包括：一种用于DC到DC功率转换器设备的磁路，包括：公共磁芯结构，提供一种具有集成到磁芯的第一支路结构中的初级绕组和次级绕组结构的变压器设备，以及具有输出电感器设备的输出电感器设备。以及具有集成在所述磁芯的第二支路结构中的输出电感器绕组结构的输出电感器设备，电感器绕组结构用于在初级绕组结构上施加周期性开关输入电压时将输出电流输送到负载。次级主开关设备可操作地连接到所述次级绕组结构并定时以防止通过次级绕组结构的电流反向，其中所述次级绕组结构具有第一绕组极性并且所述输出电感器绕组结构具有第二绕组极性，所述第一和第二绕组极性提供相反方向的电动势(EMF)极性，以在通过变压器，通过输出电感器将电力输入到输出负载时，显著减小到输出负载的输出电流纹波。其中所述公共磁芯还包括第三支路结构，其允许通过第一支路结构产生的磁通量部分地穿过第二支路结构并部分穿过第三支路结构，从而在第一变压器磁芯支路结构和第二支路结构之间提供部分耦合的磁通路径，其中部分磁耦合的大小确定在输出电流纹波最小下的输出电压。通过最佳地限定磁耦合水平、变压器匝数比和操作占空比，然后可以在设计的最佳输出电压下使通过电感器的输出电流纹波非常小。附图说明图1示出了DC-DC功率转换器的一个实施例，该DC-DC功率转换器包括三柱磁芯，其在变压器和电感器柱之间提供部分耦合的磁通路径，并且包括有源钳位正激变换器元件和连接到这些绕组的电路；图2示出了如图1的电路实施例中所示的具有三个支路的磁芯的磁阻模型；图3A描绘了具有图1所示实施例的耦合磁通输出电感器的集成磁有源钳位正向变换器的电路示意图；图3B描绘了在一个实施例中具有单独的非耦合通量(离散)输出电感器的有源钳位正向DC-DC转换器300'的另一实施例的等效电路示意图；图4是图1中所示的三柱磁芯的俯视图，示出了与图1中所示相同的变压器和电感器绕组以及相同的有源正向变换器部件和电路；图5A示出了应用于图3A所示实施例中的主初级和主次级同步整流器开关的输入的占空比“D”的示例脉冲数字栅极控制信号；图5B示出了用于同时控制图3所示实施例中的有源钳位复位开关和次级复位同步整流器的栅极的定时激活的互补占空比“1-D”的示例脉冲数字栅极控制信号；图6是描绘图1-3A的DC-DC功率转换器电路的示例操作的时序图，示出了在示例实现中针对主变压器上的开关初级复位电压绘制的耦合电感器输出电流；图7A示出叠加在集成磁性铁氧体磁芯的物理结构上的电路的实施例的三维视图，其提供图1中示出的DC-DC功率转换器电路的磁路结构的变压器和电感器支路(柱)之间的部分磁耦合；以及图7B示出了用于连接到图7A中所示的电路的负载的安装的电路低电阻输出线的物理实现。具体实施方式本公开涉及具有增加的空间效率和改善的电性能的DC-DC功率转换器。如图1所示，磁芯，例如铁氧体磁芯结构110，具有三个磁芯支路：变压器支路，电感器支路和无绕组支路。通过将转换器的变压器支路和电感器磁性铁氧体磁芯支路组合成单个结构，并通过正确定义变压器次级和电感器绕组极性，可以降低所需电感值。通过定义变压器的初级端和次级端上的开关的相对定时，以便同时接通初级主开关和次级主开关，避免了变压器铁芯中的谐振能量存储。由于这两个原因，统一磁芯的体积可以很小，如现在详细描述的附图所示。应注意，在此描述并在附图中示出的相同和相似的元件由相同的附图标记表示。在共同体积的磁性材料中共享两个磁功能提供了第一空间节省。当磁耦合变压器和电感器绕组配置有变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于直流‑直流(DC‑DC)电力转换器设备的磁路，包括：公共磁芯结构，提供一种具有集成到所述磁芯的第一支路结构中的初级绕组和次级绕组结构的变压器设备，以及具有集成在所述磁芯的第二支路结构中的输出电感器绕组结构的输出电感器设备，电感器绕组结构用于在初级绕组结构上施加周期性开关输入电压时将输出电流输送到负载；次级主开关设备可操作地连接到所述次级绕组结构并定时以防止通过次级绕组结构的电流反向，其中所述次级绕组结构具有第一绕组极性并且所述输出电感器绕组结构具有第二绕组极性，所述第一和第二绕组极性提供相反方向的电动势(EMF)极性，以在通过变压器，通过输出电感器将电力输入到输出负载时，显著减小到输出负载的输出电流纹波，其中所述公共磁芯还包括第三支路结构，其允许通过第一支路结构产生的磁通量部分地穿过第二支路结构并部分穿过第三支路结构，从而在第一变压器磁芯支路结构和第二支路结构之间提供部分耦合的磁通路径，其中部分磁耦合的大小确定在输出电流纹波最小下的输出电压。

【技术特征摘要】
2017.11.09 US 15/808,8041.一种用于直流-直流(DC-DC)电力转换器设备的磁路，包括：公共磁芯结构，提供一种具有集成到所述磁芯的第一支路结构中的初级绕组和次级绕组结构的变压器设备，以及具有集成在所述磁芯的第二支路结构中的输出电感器绕组结构的输出电感器设备，电感器绕组结构用于在初级绕组结构上施加周期性开关输入电压时将输出电流输送到负载；次级主开关设备可操作地连接到所述次级绕组结构并定时以防止通过次级绕组结构的电流反向，其中所述次级绕组结构具有第一绕组极性并且所述输出电感器绕组结构具有第二绕组极性，所述第一和第二绕组极性提供相反方向的电动势(EMF)极性，以在通过变压器，通过输出电感器将电力输入到输出负载时，显著减小到输出负载的输出电流纹波，其中所述公共磁芯还包括第三支路结构，其允许通过第一支路结构产生的磁通量部分地穿过第二支路结构并部分穿过第三支路结构，从而在第一变压器磁芯支路结构和第二支路结构之间提供部分耦合的磁通路径，其中部分磁耦合的大小确定在输出电流纹波最小下的输出电压。2.如权利要求1所述的磁路，其中所述输出电感器磁芯支路结构的所述铁氧体体积由于所述输出电感器值减小而显著减小，从而导致变压器磁芯结构体积减小。3.如权利要求1所述的磁路，其中所述减小的输出电感器值允许输出阶跃响应时间显著减小以改变输出负载。4.如权利要求1所述的磁路，其中所述变压器初级绕组、所述变压器次级绕组和所述输出电感器绕组结构形成为平面印刷电路板的导电层。5.如权利要求4所述的磁路，其中所述变压器次级绕组结构和所述输出电感器绕组结构被组合以与次级循环器开关设备连接，所述组合连接被实施为...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·佛伦兹，T·E·塔克恩，张信，姚远，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US