用于设定点跟踪中的最小延迟的交错开关模式功率级的加性合成制造技术

一种利用加性交错开关模式(PWM)功率转换级的装置，其具有最少的输出滤波器或没有输出滤波器，以实现高带宽或甚至理想的瞬时功率转换。加性过程可能涉及时间上交错的隔离PWM转换器的电压叠加，或者可能涉及单个输入电源以感应地组合在时间上交错的PWM功率转换器的输出电流，其中，任一加性电路具有最少的输出滤波或不具有输出滤波。这种电路可以克服曾经被认为是物理限制的反馈控制回路的频率限制，例如，基本开关频率、输出滤波器延迟和奈奎斯特准则。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于设定点跟踪中的最小延迟的交错开关模式功率级的加性合成基于35U.S.C.§119要求优先权本专利申请要求2018年11月14日提交的、标题为“ARBITRARYWAVEFORMPOWERGENERATOR”的临时申请No.62/767,421的优先权，该临时申请被转让给本专利申请的受让人，在此通过引用将其明确地并入本文。
本公开一般地涉及功率转换。特别地，而非限制性地，本公开涉及用于任意波形功率生成的系统、方法和装置。
技术介绍
使用开关对(例如，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的开关功率转换器或开关模式功率转换器在1980年代由于其在功率的上变频和下变频两者中的效率而日益普及。开关功率转换器采用开关的脉宽调制(PWM)控制以及来自开关的PWM输出的LC滤波，来生成大致模拟设定点的上变频或下变频波形，尽管其具有通常需要滤波的一些“纹波”。当开关模式功率转换器中的开关“接通”时，它具有低电阻，并且当“断开”时，它具有低漏电流。因此，开关模式功率转换器中的开关接近理想状态，并且功耗被最小化。图1示出了开关模式降压(下变频)转换器的一个示例。可以看出，开关A和B同时开关，但是以交替的打开/闭合方式开关，使得电流一次仅通过一个开关。栅极驱动电路向开关B提供更高的占空比，导致DC电源的负侧比正侧花费更多的时间经由输出节点103耦合到负载107，如经由在两个开关之间的输出处获得的电压V103可见。结果是负载两端的平均输送电压V107小于由DC电源提供的电压VDC的一半。通过改变开关的占空比，可以调节平均输送电压V107。还可以看出，尽管通过开关提供PWM电压，参见V103，但通过所示LC滤波器对该PWM电压进行滤波或使其平滑，从而产生具有明显较少纹波并且更接近地模拟栅极驱动电路的设定点的电压V107，在本示例中该设定点为DC设定点。该示例示出了纹波电压长期以来被视为开关模式功率转换的不可避免的副产物，它或多或少地将模拟设定点数字化，然后尝试经由滤波器将该数字信号(输出节点103处的PWM电压)转换回模拟信号。为了更好地重新创建设定点波形，可以使用更大的滤波器部件，由此进一步减少纹波。然而，更大的LC滤波器部件也较慢地对设定点改变作出反应(即，其导致转换器的响应时间增加)。因此，在用更大的LC部件减小纹波时，还增加了设定点与开关模式功率转换器对设定点的跟踪之间的延迟。更高的电压和电流还暗示需要更大的开关和更大的LC部件，因此进一步增加了设定点与输出快速跟踪设定点的能力之间的延迟。减少纹波的另一种方式是增加开关频率，这允许使用更小的LC滤波器。然而，功率转换器由于开关损耗而限制在最大实际开关频率，并且因此LC滤波器迄今为止只能被减小。由于需要更大的开关，所以在高功率应用中该问题被进一步扩大，从而进一步限制最大开关频率并且导致更大的LC滤波器。本领域的技术人员已知这些和其他方法来减少纹波并且减小响应时间，然而对开关速度、开关大小、LC部件大小和纹波的实际限制导致了对于各种使用情况的实际限制。
技术实现思路
以下提出了与本文公开的一个或多个方面和/或实施例相关的简化
技术实现思路
。因此，不应将以下
技术实现思路
视为与所有所预期的方面和/或实施例相关的广泛综述，也不应将以下
技术实现思路
视为识别与所有所预期的方面和/或实施例相关的关键或重要元件，或描绘与任何特定方面和/或实施例相关联的范围。因此，以下
技术实现思路
仅具有在以下呈现的具体实施方式之前以简化形式呈现与涉及本文公开的机制的一个或多个方面和/或实施例相关的某些概念的目的。本公开的一个方面涉及一种包括开关模块的电源，开关模块包括第一降压转换器部分和第二降压转换器部分，第一降压转换器部分具有与第二降压转换器部分的第二输出电流磁性耦合的第一输出电流。开关模块可以是如图17中所示的AWPG块。电源还包括控制模块，控制模块被配置为生成到第一降压转换器的第一脉冲序列，并且生到第二降压转换器的第二脉冲序列，第一脉冲序列和第二脉冲序列在时间上交错(即，与其相位偏移)，控制模块被配置为基于目标输出波形生成第一脉冲序列和第二脉冲序列。第一降压转换器部分响应于第一脉冲序列而生成目标输出波形的第一部分，并且第二降压转换器部分响应于第二脉冲序列而生成目标输出波形的第二部分。可以经由输出之间的磁性耦合对第一降压转换器部分和第二降压转换器部分的输出进行求和。本公开的另一方面涉及一种功率系统，功率系统可以用于等离子体系统，其包括动态设定点波形发生器，动态设定点波形发生器包括控制器，控制器向第一开关对提供第一脉冲序列，并且向第二开关对提供与第一脉冲序列偏移的第二脉冲序列，第一脉冲序列和第二脉冲序列均基于可控的设定点(例如，AC或调制DC)。第一开关对可以与轨电压耦合，并且包括在公共输出处互连的第一开关和第二开关，公共输出与第一变压器的初级绕组的输入可操作性地连接。第一变压器的次级绕组的输出可以与输出节点可操作地耦合。第二开关对可以与同一轨电压耦合，并且第二开关对可以包括在公共输出处互连的第一开关和第二开关，公共输出与第二变压器的初级绕组的输入可操作地连接。第二变压器的次级绕组的输入可以与第一变压器的初级绕组的输出耦合，其中，次级绕组的输出与输出节点可操作地耦合。最后，该系统可以包括与公共输出耦合的电容器或滤波器，电容器或滤波器的大小被设定为允许公共输出处的电压快速变化(例如，足以快以管理电弧响应，例如，<0.5μs)。在又一方面中，电源模块可以包括多个(N个)降压转换器，每个降压转换器生成与(N个)降压转换器的另一个降压转化器的输出磁性耦合的输出电流，每个降压转换器以基本频率(f)切换，其中，(N个)降压转换器的磁性耦合的输出响应于在基本频率N倍的频率下的输入设定点，以限定输出波形。在另一方面中，公开了一种电源电路，其包括多个(N个)加性交错开关模式功率转换级，每个加性交错开关模式功率转换级具有输出电压和输出电流。该电路还包括到所述电源电路的动态设定点输入。该电路还包括互连拓扑，互连拓扑响应于动态设定点输入而将来自所述交错开关模式功率转换级的所述输出电压或输出电流连接到汇总输出中。汇总输出对所述动态设定点输入中的改变作出瞬时响应或接近作出瞬时响应。用于汇总所述交错开关模式功率转换级的互连拓扑可以通过如下方式用串联连接来实现：从独立的隔离输入电源轨向所述交错开关模式功率转换级中的每一个供电；并且串联连接来自所述交错开关模式功率转换级中的每一个的输出，使得来自每一级的所述输出电流相等。汇总输出可以是所述交错开关模式功率转换级中的每一个的所述输出电压之和。通过如下方式在并联连接中实现汇总所述交错开关模式功率转换级的过程：从公共输入电源轨向所有所述N个加性交错开关模式功率转换级供电，并且将来自所述交错开关模式功率转换级的输出连接到变压器，变压器被配置成迫使来自所述交错开关模式功率转换级中的每一个的AC电流始终具有相同AC电流，其中，所述变压器被连接以提供汇总输出电流，汇总输出电流是来自所述交错开关模式功率转换级中的每一个的电流之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有任意输出的闪速功率转换器，所述闪速功率转换器包括：/n多个，即N个加性交错脉宽调制(PWM)功率转换级，每个加性交错脉宽调制功率转换级具有输出以及在每个级内的至少一对开关，所述至少一对开关具有基本开关频率f；/n设定点输入，所述设定点输入被配置为接收动态设定点波形；/n参考输入，所述参考输入被配置为接收参考波形；以及/n互连拓扑，所述互连拓扑在所述多个加性交错PWM功率转换级之间，所述互连拓扑将所述多个加性交错PWM功率转换级的所述输出连接到汇总输出中，/n其中，所述多个加性PWM功率转换级中的每一个的电流输出相同，/n其中，所述汇总输出处的电压是来自所述多个加性交错PWM功率转换级中的每一个的输出电压之和；并且/n其中，所述汇总输出被配置为以大于所述基本开关频率f的频率响应所述动态设定点波形，以限定输出波形。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181114 US 62/767,4211.一种具有任意输出的闪速功率转换器，所述闪速功率转换器包括：
多个，即N个加性交错脉宽调制(PWM)功率转换级，每个加性交错脉宽调制功率转换级具有输出以及在每个级内的至少一对开关，所述至少一对开关具有基本开关频率f；
设定点输入，所述设定点输入被配置为接收动态设定点波形；
参考输入，所述参考输入被配置为接收参考波形；以及
互连拓扑，所述互连拓扑在所述多个加性交错PWM功率转换级之间，所述互连拓扑将所述多个加性交错PWM功率转换级的所述输出连接到汇总输出中，
其中，所述多个加性PWM功率转换级中的每一个的电流输出相同，
其中，所述汇总输出处的电压是来自所述多个加性交错PWM功率转换级中的每一个的输出电压之和；并且
其中，所述汇总输出被配置为以大于所述基本开关频率f的频率响应所述动态设定点波形，以限定输出波形。


2.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，每个相内的所述开关由具有占空比的脉冲序列驱动，所述占空比表示所述动态设定点波形与所述参考波形的峰峰电压的比率，并且其中，每个脉冲序列与用于其他一个或多个级的脉冲序列偏移。


3.根据权利要求2所述的闪速功率转换器，其中，所述级中的任何两个级之间的最小偏移是基本开关周期的1/N。


4.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述汇总输出经由具有<40nF的电容的滤波器耦合到等离子体负载。


5.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述汇总输出经由滤波器耦合到负载，所述滤波器具有大小被设置为使得所述汇总输出具有大于奈奎斯特准则的频率的电容。


6.根据权利要求3所述的闪速功率转换器，其中，电容的大小被设置为使得所述汇总输出具有是所述基本开关频率f的N倍的频率。


7.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述闪速功率转换器在所述多个加性PWM功率转换级与负载之间不包括滤波器。


8.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述汇总输出耦合到射频功率转换级。


9.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述动态设定点波形被配置成接收非恒定波形。


10.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，N>6。


11.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，所述汇总输出仅在固有部件延迟之后跟踪所述动态设定点波形。


12.根据权利要求1所述的闪速功率转换器，其中，来自所述交错PWM功率转换级中的第一个交错PWM功率转换级的一对开关的输出耦合到来自所述交错PWM功率转换级中的第二个交错PWM功率转换级的第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·M·波特，J·德伦巴切尔，
申请(专利权)人：先进工程解决方案全球控股私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG