專利名稱：具有多個耦合線圈的多相降壓轉換器的制作方法
具有多，，圈的多相降壓轉換器相關申請
本申i青基于2005年7月26日提交的，臨時申請號為60/702， 521，題目為"具有兩相耦合線圈的多相降壓轉換器的設計"(MULTI-PHASE BUCK CONVERTER DESIGN WITH 2 PHASE COUPLED INDUCTOR)的美國專利，并要求它的喊，本申請要求其優先權并且本文援弓l其內容。 技術領域
本申請涉及電源電路，尤 及多相電源轉換器。
技術背景
參見圖1A，兩相降壓轉換器(buck converter)包括兩個并聯連接的轉 換器，齡轉換器包括第一控制開關S1， S2和在切換節點10相互連接的分 路開關SH。齡線圈12的一個t^i接至徹換節點10，另一個t雄接到輸出 節點14。圖1A中的線圈12彼此是不M^的，也就是說它們不同用一個共 同的鐵芯。
圖1B示出了一個兩相降壓轉換器，其中線圈12彼]th^合，這意自 線圈12是相反連接的，并且繞著一個共同的鐵芯。
在諸如多相降壓轉換器的多相電壓調節器中電》樹消是公知的，可以 ^!>輸出電流的紋波。
多相降壓轉換器中的電^^消通過多相線圈耦合可以擴展到線圈和 開關中。例如，如圖1C中所示，在一個兩相降壓轉換器中，采用耦雜圈(圖 1B)可以有效的斷氏^i^圈的電流,峰值。因此，當翻耦合線圈時，在 不損失動態性能割牛下，可以期望較小的穩態損失。此外，與線圈沒有耦合 的多相降壓轉換器(圖1A)相比較，當線圈耦合時，線圈的尺寸可以減小而 不會感應出更多的統波電流。因此，在不犧牲轉換器效率的^#下可以期望 更決的瞬時反應特性。
根據現有技術的典型的多相轉換器可以包括兩個以上繞一共同的鐵 芯的線圈。這樣一種不對稱的設置意味著它的相表5見出不一樣的磁特性。磁 特性上的變化可能帶來次諧波輸出波動。
期望斷氐多相轉換器中的次諧波輸出波動。 發明內容
本發明的一個目的;^^一個多相轉換器，其可以M^、輸出電流中生 成的次i^波波動。
根據本發明的電源轉換器包括多個并f^接的轉換器，其中旨轉換 驗其切換節點串聯連接相應的線亂其中轉換器布置成使得每對轉換器連 接到繞一個共同的鐵芯相反連接的兩個線圈中相應的一個。因此，根據本發 明的多相轉換器，包括至少一對并i^i接的轉換器，iM轉換器與一對耦合線圈相it接；或多對并^^接的轉換器，每對轉換器與一對耦^圈相ii接。
根據本發明的體的優點是，因為一對耦合線圈題Wf爾的并且可以構造成具有一樣的磁特性，因此斷氐了由不辦爾弓l起的輸出電流中的次諧波波動。
在一個^ffi調節器中，相的數量取決于效率、^等等的優化方案的權衡。為了提高額定電流，雌的是增加更多的相。然而，相的M不總是偶數。根據本發明的一個方面，所麟的奇數個并聯的轉換器中至少有一個 線圈是沒有與其它線圈耦合的，而其它的轉換器，成具有如上面戶，釋的 娥爾的輙性。
對^^辦目的轉換器，合適的相移可以消 在的輸出紋波電流。根 據本發明的一個方面，可以iKl相移的設計降低由于不f^線圈存在而引起 的波動。
本發明的其它的特征和優點將通過本發明下面參考附圖的描述而變 得顯而易見。


圖1A示出了一個根據現有技術的多相轉換器。
圖1B示出了一個根據現有技術的多相轉換器。
圖1C圖示了圖1A中的轉換器和圖1B中的轉換器的統波電流的比較。
圖2示出了一個根據本發明的多相降壓轉換器。
圖3圖示了一個用于啟動根據本發明的轉換器中的控制開關的控制設 計。
圖4示出了耦合線圈(K)的磁化電感與漏電感的比率對應于^a 圈中的電、^1 (厶I)的曲線圖。
圖5A—6C示出了根據本發明的一個四相轉換器和一個五相轉換皿 自的計算得到的波形。
圖7A—8B示出了根據本發明的一個四相轉換器和一個五相轉換皿 自的模擬得到的娜。
圖9示出了根據本發明的轉換器 得到的波形。 具體實船式
參見圖2,根據本發明的,實施方式的多相降壓轉換器包括多個并 麟接的轉換器20。雌的是，針轉換器20雌包括一4^接到電源輸 入節點Vin和切換節點10之間的控制開關&到S對，以及一^^接到^"切 換節點10和ite間的分路開關SHi到SH洲。根據本發明的轉換器進一步包括 多個線圈U到L洲，針線圈的一個極連接到各自的切換節點10，另一個極 連接到轉換器的輸出節點14。雌的是， 一偉出電容15的一個t^i接到 輸出節點14，另一個極接地。
雌的是，Jt^^制開關是功率MOSFET，但是其它不背離本發明的范 圍和精神的開^tii可以M^用，如IGBT。
根據本發明的一個方面，僅僅一對線圈耦合并且繞在一個共同的鐵芯 上，并且針線圈的一個極連接到各自的切換節點，另一個t雄接到輸出節 點。例如，L和L耦合并且繞在一個共同的鐵芯上，它們連接至恪自的與控 制開關Si和S2相連的切換節點上。注意到，這SM旨的兩個線圈耦合意贈 臓線圈相反連接，爐是反并聯連接。
此外，根據本發明的另一個方面，線圈Ur沒有與其它的線圈耦合。 因此，N鋪合的線圈(也就是具有耦雜圈的兩相轉換器)與一個與蟲的 *^合的線圈組^^得到一種混合轉換器。
當N個具有耦雜圈的兩相轉換器與至少一相織合的線圈組合時， 可以從m合中得到好處。實際上，當"+1—oo,轉換器相當于一個2N相轉 換器。
現參見圖3，在^h轉換周期中，旨線圈L到L,iKl導通與其相 連接的控制開關Si到S，而相繼啟動。例如，艦導通S,啟動U等等。
根據本發明的一個方面，不同于現有技術的是，^^圈相距(apart) 180度不啟動，并^a^有的線圈相距360;g/N不啟動，其中N驗圈的個數。相反為了獲得最佳的結果，根據下面的相移設計啟動線圈，以消除由于未耦 合的線圈的電壓而弓胞的輸出統波電流的潛在增長。
i)的兩線圈的相移由公式1控制。
U2》=3" (1)
該相移如圖3中的A處所示。
其中LK是該耦合線圈的漏電感，L^和U (K=l， 2…"'N)，是耦雜 亂也就是相反連接的線亂S^和S3K分別標與耦雜圈相連接的控制開 關。例如，在一賴括一個與耦合線圈對(N二l)相連接的兩相轉換器的多相 轉換器中，&和S2將分別與^^圈L和L2相連接，而S3將和^^合的線圈 L3相連接。注意到在這個例子中，換器具有三相。
ii)除^合的線圈的相之外的，相鄰的兩相轉換器的相移由公式2 ^^。
-H)= —3602.7V + -"(2)
該相移如圖3中的B ^b0f示。
在這種體中，轉換器的等效電感由公式3得到。
, =-^- (3)-+-
耦合線圈每相的紋波電流條峰值由公式4給出。
A/pp fc =《 .歸 (4)
其中Vout是輸出電壓，D是占空比，Fs是轉換頻率，以及K是該耦 雜圈的磁化電感與漏電感的比率。為了使得所有的相取得一樣的*峰電流 值，^^的線圈Ui的雌的電驗公式5示出。
畫 (5) L訓《—(2〖—1)Z)"
轉換器的輸出統波電流由公式6得到。
化尸rt =lz^.n_^^ (6)設計實例
設計說明
Vin/Vout_no—load=12V/l. 335V;
負載線Ro-1.25mohm;
最大輸出電流1腿=腿；
切換,頻率Fs-660KHz
在該例子中，將一個四相轉換器和一個五相轉換器作比較。為了節省 輸出電容，耦雜圈的漏電感選擇65nH。對于磁化電感，公知的是高磁化電感能帶來強耦合性并能艦的消除紋波電流。然而，如果在wtil合相之間存在一個較小的DC電流不協調，那么磁化電感越高越容易獲ff^飽和。從圖 4中，選擇磁化電感對漏電感的比率為K二3將可以很好的禾,耦合，并在耦 合和抗鐵芯飽和弓驢之間麟艦的折中。對于五相轉換器，基于公式5， 合的線圈選擇120nH的商業現有(C0TS)的線亂以具有與所有的相接 近的統波電流il^峰值。
在圖5A—5C (四相轉換器)和6A—6C (五相轉換器)中示出了計算 出來的、跡。在圖7A—7B (四相轉換器)和8A—8B (五相轉換器)中示出了 模擬波形。這些^^表明每一相中的紋波電流已經明顯斷氐了。實驗結果
—個四相轉換 設計成具有兩個兩相轉換器，該兩相轉換器具有耦雜圈。圖9中示出了該轉換器的電流^^。該測量出的波形證明，如所期望的，相紋波電流已經明顯地斷氐了。
1f據本發明的轉換器可以
斷氐每相的RMS電流以提高轉換器效率；
斷氐轉換器的等效電感，以最小化具有魏短暫要求的應用場合所需
要的輸出電容；
消斷皆波輸出統波電流；以及
4.消除對具有兩相耦雜圈的多相轉換器柳蹄lj。
雖然本發明已惑就其具體的實施方式給予了描述，但是許多其他變化和改變以及其他的頓對所屬領域的技術人員也將慰艮明顯的。因此，雌的是本發明不^S里公開的細節的限制，而是僅受附加的權利要求的限制。
權利要求
1.一種多相轉換器，包括2N+1個線圈；以及2N+1個并聯連接的開關轉換器，每個開關轉換器包括一個切換節點；其中N是偶整數，一對所述的線圈是耦合的并且繞在一個共同的鐵芯上，每個所述的耦合線圈的一個極連接到各自的切換節點上，它的另一個極連接到一個輸出節點，并且至少一個所述的線圈沒有與其它的線圈耦合。
2. 如權利要求1戶脫的多相轉換器，其中戶/M轉換器是降壓轉換器。
3. 如權利要求1所述的多相轉換器，其中每個轉換器包括一4^接在電源輸Afn戶;M切換節點之間的控制開關，以及一4^接^0M切換節點和地之間的分路開關。
4. 如權利要求3所述的多相轉換器，其中所，制開關和戶，分路開關 是功率MOSFET。
5. 如權利要求3戶，的多相轉換器，其中戶;fffi制開關和戶;M分路開關是功率IGBT。
6. 如權利要求1所述的多相轉換器，其中所述線圈皿少一對并且僅僅是皿的fflii各自共同的鐵芯相耦合。
7. 如權利要求6戶，的多相轉換器，其中N至少是4。
8. 如權利要求1戶脫的多相轉換器，其中戶腿線圈柳i^地啟動。
9. 如權利要求1所丞的多相轉換器，其中N是耦合線圈的對數，并^SJf 述的耦，圈M下面的M控制的移相角啟動360. iV2-iV +其中-是相角，LK是^^圈的漏電感。
10. 如權利要求1戶皿的多相轉換器，其中N是耦^圈的個數，兩對相鄰的耦雜圈M;下面的^^控制的移相角啟動 "，s 產 _其中-是相角，U是耦合線圈的漏電感。
11. 一種多相轉換器，包括多個線圈；多個并^i接的開關轉換器，并且^開關轉換器包括一個切換節點；其中所述的線圈是至少一對并且僅僅是成對的M;各自共同的鐵芯相耦合，每個戶腿的耦雜圈的一個鵬接到各自的切換節點上，它的另一個極 連接到一，出節點，并皿少一個所述的線圈沒有與其它的線圈耦合。
12. 如權利要求11戶腿的多相轉換器，其中有2N+1個線亂并且N是 偶M，并朋脫的線圈中僅僅有一個線圈^^的。
13. 如權利要求11所述的多相轉換器，其中所述轉換器是降壓轉換器。
14. 如權利要求11所述的多相轉換器，其中^轉換器包括一^i接在電源輸ASi戶;M切換節點之間的控制開關，以及一個連接^BfM的切換節點和ite間的分路開關。
15. 如權利要求14戶腿的多相轉換器，其中戶腿的控制開關和戶腿的 分路開繊力率MOSFET。
16. 如權利要求14所述的多相轉換器，其中所，制開關和戶;M分路開關是功率麗。
17. 如權利要求ll皿的多相轉換器，其中N至少是4。
18. 如權利要求11戶腿的多相轉換器，其中戶腿線圈柳,的啟動。
19. 如權利要求11戶，的多相轉換器，其中N是耦，圈的對數，并 且所述的耦合線圈通過下面的關系控制的移相角啟動其中-是相角，LK是IP^圈6^漏電感。
20.如權利要求11所述的多相轉換器，其中N是耦，圈的個數，兩對相鄰的耦雜圈M:下面的絲控制的移相角啟動其中戶;M的-是相角，LK是^線圈的漏電感。
全文摘要
一種多相轉換器包括2N+1個線圈；以及2N+1個并聯連接的開關轉換器，每個開關轉換器包括一個切換節點；其中N是偶整數，一對所述的線圈相耦合并且繞在一個共同的鐵芯上，每個所述的耦合線圈的一個極連接到各自的切換節點，它的另一個極連接到一個輸出節點，并且至少一個所述的線圈沒有與其它的線圈耦合。
文檔編號H02M3/04GK101159411SQ20061012636
公開日2008年4月9日 申請日期2006年7月26日 優先權日2005年7月26日
發明者G·許萊因, N·李, W·吳 申請人:國際整流器公司