[发明专利]多相位功率变换器及其相位对齐方法

说明书

技术领域

本申请涉及多相位半谐振和谐振变换器，特别地，涉及对齐此 类变换器相位的开关控制信号的时序技术。

背景技术

谐振和半谐振DC-DC变换器(包括隔离和非隔离拓扑结构)应 用于电信、消费类电子产品、计算机电源等多种用途。由于此类变 换器具有零电压开关(ZVS)和/或零电流开关(ZCS)特性，并且 它们能够利用电子电路中固有的寄生电气性质，因此，此类变换器 被广泛使用。在众多拓扑结构中，带有变压器/中心抽头电感器的半 谐振变换器是用于在无需隔离的情况下提供高电压转换率的有吸引 力的拓扑结构。与其他解决方案相比，此类变换器具有低成本、高 效率的优点。

其中一类半谐振变换器包括高压侧开关和低压侧开关，它们将 电源从输入源传输到向负载提供输出功率的中心抽头电感器。此 外，中心抽头电感器连接到第二低压侧开关(本文称为同步整流 (SR)开关)。为了满足半谐振变换器的负载功率要求(例如，为 负载提供接近持续稳定的输出电压)，许多半谐振DC-DC变换器采 用可变开关频率，其中开关时段可以从周期到周期地变化。在每个 开关时段的一部分中，将启用SR开关以使电流通过SR开关。对于 上述半谐振变换器，在开关时段的该部分期间，电流波形将像正弦 时段的半周期。该半周期正弦曲线的时间间隔由半谐振变换器的无 源电路内的电抗元件决定，例如半谐振DC-DC变换器内的电感器/ 电容器(LC)谐振腔和其他无源元件的固有频率决定该时间间隔。

能特别期待的是，当相关开关之上的电压或电流为零或接近零 时，开启和关闭谐振或半谐振DC-DC变换器的电源开关。此类软开 关的优点在于开关损耗最小化。此外，软开关能够避免由于与硬开 关相关联的高频谐波产生的电磁干扰(EMI)。这些优点的重要结 果是，软开关谐振和半谐振变换器的远高于对应硬开关的相似装置 的效率下运行。

通过半谐振变换器内的SR开关的半周期正弦波形电流的时间间 隔决定何时禁用SR开关。为了实现所期望的零电流开关(ZCS)， 当该电流已经返回到零时，应该禁用SR开关。半谐振变换器的电抗 组件决定此时间间隔。虽然可以基于电路中的电感元件和电容元件 计算此时间间隔，但是，由于电抗元件的变化，计算出的时间不会 很精确。更具体地，电感元件和电容元件发生变化(就像由通常分 配给此类元件的公差所指示的)，电路的固有(寄生)电抗会引起 变化，并且温度变化也会改变一些元件的电抗。

为了最小化电压变换器输出端电压和电流波动，并按比例增加 其功率输出，电压变换器可以利用多个相位。各个相位是彼此独立 的电压变换器，其中每个变换器都连接到通用输入电压源并为通用 输出负载供电。为了保持稳定性并使波动最小化，应该以通用开关 频率驱动各个相位，但是每个相位的开关控制信号在时间上相互交 错。

多相位半谐振变换器的问题在于，由于每个相位内的电感和电 容变化，将会导致不同相位的半周期正弦波形电流的时间间隔有所 不同。通过对所有相位使用通用(但可变)开关频率并使用交错的 控制信号，以驱动半谐振变换器的每个相位的SR开关，控制器将无 法实现前述期望的零电流开关(ZCS)。更具体地，半谐振电压变 换器的一些相位的半周期正弦波形电流的时间间隔可以相对较短， 而其他时间间隔可以相对较长。这意味着控制器可以禁用一些相位 的SR开关，而正电流仍然通过SR开关，并且在负电流通过这些 SR开关时，可以禁用其他SR开关。

除了功率损耗及与非零电流开关相关联的EMI之外，当负电流 通过SR开关时开关SR开关，可能会损坏SR开关。此外，与正电 流通过SR开关时禁用SR开关相比较，由于在负电流通过SR开关 之前不会禁用SR开关，因此，通过SR开关的负电流会导致额外功 率损耗。这是因为，通过SR开关的负电流会部分释放电压变换器的 输出电容器的电量，从而使电容器上储存的能量有效排放到地面。 在正电流通过SR开关时禁用SR开关，不会导致输出电容器的此类 放电及相关能量损失。

相应地，需要改进技术，以避免在负电流通过SR开关时关闭多 级半谐振变换器中的SR开关。

发明内容

根据多相电压变换器的一个实施例，电压变换器包括多个相位 和一个控制电路。每个所述相位都包括高压侧开关，其在开关节点 处连接到低压侧开关。高压侧开关连接到向所述变换器供电的输入 电压端子，而低压侧接地。每个相位进一步包括无源电路，其将开 关节点连接到电压变换器的通用输出节点，从而为负载供电。每个 无源电路通过同步整流(SR)开关接地，在开启SR开关时半周期 正弦波形电流通过SR开关。