用于开关变换器快速瞬态响应的分级电感器制造技术

公开了一种快速瞬态响应变换器，它利用开关变换器中的分级电感器在快速瞬变条件下加速输出电压的响应。开关变换器中的电感元件被两个串联或并联的电感元件代替，其中一个电感器元件的电感量小于另一个电感元件的电感量。在快速瞬变期间，电感量较大的电感器被短接到电压源。总电感量将大大减小，从而在瞬态变化期间允许快速的电流变化。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关方式功率变换器领域，具体地说，涉及功率变换器的快速动态响应。
技术介绍
开关变换器广泛用于提供高效轻便的电源，但对快速负载变化的瞬态输出响应却受到大多数开关功率变换器中都存在的输出电感器的内在限制。典型的现有技术的降压型变换器包括具有多个开关的功率级、电感-电容滤波器和反馈电路。该反馈电路监控变换器的输出电压并控制开关的脉冲宽度调制(PWM)。当有快速动态负载变化时，变换器的响应受到变换器两个部分即反馈电路和功率级的限制。利用传统的线性方法或非线性方法可以将反馈电路设计成非常快速。但变换器的固有响应受到主要决定于输出电感值的输出滤波器的限制。所述领域的许多研究人员试图通过数种不同的方法实现快速响应，但所有提出的解决方案都有局限性。有些研究人员试图利用小电感值的电感器来加速功率变换器的动态响应。这种方法似乎可以解决问题，因为电流通过小电感器的传送可以快得多。但所述方法引起的问题是正常工作时电流波纹过高，在变换器开关和无源元件中就引入了高的均方根电流，从而增加了功率损耗。其他研究人员试图利用并联的多相变换器来分担电流以减小磁损耗，但结果是增加了成本和复杂性。还有其他研究人员试图通过提高开关频率来解决这个问题。但这又引起了开关中过高的开关损耗和电感器芯子的损耗问题。并且，高频工作需要高性能的驱动电路，这进一步增加了成本。因此迫切需要一种既能提供快速响应，又能保持变换器的低损耗并且以低成本用于计算机应用场合的方法。美国专利技术专利号No.6188209提供了本专利技术的基础。本专利技术进一步降低了复杂性，并提供了可供选择的方法以实现快速瞬态响应。专利技术概述因此，本专利技术的一个目的是提供开关功率变换器的快速动态响应。本专利技术的另一个目的是维持低的输出电感器波纹电流。本专利技术的另一个目的是在不需要工作在非常高的频率的情况下改善功率变换器的动态响应。本专利技术的另一个目的是维持高的变换器效率。本专利技术的另一个目的是使用一种简单的控制方法。根据本专利技术的一个方面，功率变换器包括输入端，用来接收输入功率；输出端，用来提供稳定的输出功率；连接到所述输入端的一个或多个开关器件，所述一个或多个开关器件产生具有可变脉冲宽度的电压脉冲序列，用以调节所述输出，并且所述电压脉冲序列还具有高电压电平和低电压电平；变压器，它包括多个绕组，第一绕组连接在所述一个或多个开关器件和所述输出端之间，用于导通稳态电流，第二绕组在输出功率瞬态增高时耦合到所述输入端，第三绕组在输出功率瞬态降低时耦合到低阻抗；控制电路，可用于检测输出端的电压，还可用于在输出功率瞬态变化时连接所述变压器的所述各绕组。根据本专利技术的另一个方面，功率变换器包括输入端，用来接收输入功率；输出端，用来提供稳定的输出功率；连接到所述输入端的一个或多个开关器件，它们产生具有可变脉冲宽度的电压脉冲序列，用以调节输出，所述电压脉冲序列还具有高电压电平和低电压电平；电感器，它连接在所述一个或多个开关器件和所述输出端之间，用于导通稳态电流；变压器，它具有多个绕组，第一绕组连接在所述一个或多个开关器件和所述输出端之间，第二绕组在输出功率瞬态增高时耦合到所述输入端，第三绕组在输出功率瞬态降低时耦合到低阻抗；和控制电路，可用于检测输出端的电压，还可用于在输出功率瞬态变化时连接所述变压器的所述各绕组。根据本专利技术的又一个方面，功率变换器包括输入端，用来接收输入功率；输出端，用来提供稳定的输出功率；隔离的DC-AC变换器，它产生具有可变脉冲宽度的电压脉冲序列，用以调节输出，所述电压脉冲序列还具有高电压电平和低电压电平；变压器，它具有多个绕组，第一绕组连接在所述DC-AC变换器输出端之间，用于导通稳态电流，第二绕组在输出功率瞬态增高时耦合到低阻抗元件，第三绕组在输出功率瞬态降低时耦合到低阻抗元件；和控制电路，可用于检测输出端的电压，还可用于在输出功率瞬态变化时连接所述变压器的所述各绕组。根据本专利技术的再一个方面，功率变换器包括输入端，用来接收输入功率；输出端，用来提供稳定的输出功率；连接到所述输入端的一个或多个开关器件，它们产生具有可变脉冲宽度的电压脉冲序列，用以调节输出，所述电压脉冲序列还具有高电压电平和低电压电平；第一电感器，连接在所述一个或多个开关器件和所述端输出之间，用于导通稳态电流；第二电感器，它具有与所述第一电感器并联的串联开关，所述第二电感器的电感量比第一电感器的电感量小得多；控制电路，可用于检测输出端的电压，还可在输出功率瞬态变化时用于操作所述双向开关；保护电路，它俘获所述第二电感器在瞬态变化时产生的电压过冲。本专利技术公开一种具有许多突出特征的装置和方法的不同实施例，所述装置和方法提供开关功率变换器的快速瞬态响应。本专利技术显著地提高了瞬变期间变换器中通过输出电感器的电流的变化速率，同时保持了正常负载下的低电流波纹。由于不需要在高频下实现本专利技术，因此将变换器的损耗保持在最小值。但是申请人并不排除在高频下工作的可能性。此处公开的装置可以使用在大多数具有输出电感器的功率变换器中。所公开的方法的基本途径是用一个或多个在稳定负载条件下工作的具有较高电感量的电感器来代替开关变换器中的电感器、以及在快速瞬变负载条件下切换到具有低电感量的一个或多个电感器的能力。通过用至少两个串联的电感器(其中一个的电感量很小，而另一个的电感量高得多)代替传统的降压型开关变换器的输出电感器来实现这一点。将具有较高电感量的电感器的两个端子编程以在瞬变状态期间连接到电压源。在所述电感器已短接到所述电压源的同时，所述电压源在具有较高电感量的电感器中可以提供电流的快速变化。与所述电压源的所述连接把两个串联电感器的总的等效串联电感量降低到电感量小的电感器的电感量，并且实现了输出负载电流的高速变化。用来短接所述电感器的电压源可以是变换器中的任何电压，例如，输入电压、输出电压或开关或二极管的电压降。本专利技术在稳态下产生低的电感器波纹电流。在具体实施例中，在稳态工作期间，串联电感器的等效串联电感量是两个电感器的电感量之和。具有高电感量的电感器要设计成足够大以维持非常小的波纹电流，并减小流经开关元件和其它元件的均方根电流(RMS)。具有小电感量的电感器要设计成足够小，以便当具有较高电感量的电感器在瞬变状态期间被电压源短接时提供必要的电流变化速率。瞬变状态仅仅存在很短一段时间，而变换器的大部分工作时间处于稳定状态。因此变换器承载高波纹电流也只是很短一段时间，因而效率不会受到严重影响。本专利技术用途广泛，适用于大部分具有输出电感器的开关变换器。在另一个实施例中，也可以用类似上述的方法使用两个并联的电感器(其中一个的电感量很高，而另一个的电感量低得多)，在稳态负载条件期间提供大电感量，而在快速瞬态负载变化时切换到较低的电感量。对于本专业技术人员来说，本专利技术的这些以及其他目的通过以下的详细说明和附图就可一目了然。附图简要说明附图说明图1(现有技术)示出现有技术的降压型变换器的简化等效电路图。图2A-2D示出图1所示的现有技术的降压型变换器在负载瞬变时的波形图。图3示出本专利技术第一实施例的基本操作。图4A-4H示出本专利技术第一实施例在瞬态负载电流增加时的波形图。图5A-5H示出本专利技术第一实施例在瞬态负载电流减小时的波形图。图6示出本专利技术的第二实施例。图7示出本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率变换器，它包括：输入端，用来接收输入功率；输出端，用来提供稳定的输出功率；连接到所述输入端的一个或多个开关器件，所述一个或多个开关器件产生具有可变脉冲宽度的电压脉冲序列，用以调节所述输出，并且所述电压脉冲序列 还具有高电压电平和低电压电平；变压器，它包括多个绕组，第一绕组连接在所述一个或多个开关器件和所述输出端之间、用于导通稳态电流，第二绕组在输出功率瞬变上升时耦合到所述输入端，第三绕组在输出功率的瞬态降低时耦合到低阻抗；以及控制 电路，它可以用于感测所述输出端的电压，还可以用于在输出功率瞬态变化时连接所述变压器的所述各绕组。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：潘毅杰，庞敏熙，廖柱帮，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]