[发明专利]具有快速瞬态响应的耦合电感器级联降压转换器

说明书

本发明提供了一种用于从输入电压源(101)接收输入电压(Vin)并用于将输出电压(Vo)递送到负载(110)的级联降压转换器。该转换器包括：第一电感器(104)；第二电感器(108)；耦合电感器(300、301、302)，该耦合电感器具有与第一电感器串联连接的第一绕组(301)和与第二电感器串联连接的第二绕组(302)；中间去耦电容器(105)，该中间去耦电容器用于从第一电感器和第一绕组接收能量并且用于向第二电感器和第二绕组供应能量；和输出去耦电容器(109)，该输出去耦电容器用于使负载处的输出电压平滑化。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月15日提交的美国临时专利申请号62/643,558的权益，该申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开整体涉及功率拓扑电路，并且更具体地涉及具有快速瞬态响应的耦合电感器级联降压转换器。

背景技术

数据中心的能量消耗的增大需要在功率效率方面得到改善。在许多市场诸如电信、工业、航空航天和服务器环境中，该要求已触发能够将功率从48V直接转换为负载点(PoL)电压的功率拓扑的开发。一种尝试的解决方案是基于变压器的使用谐振/非谐振半桥/全桥加上电流倍增器。另一种尝试的解决方案是使用降压转换器。非隔离降压转换器已由于其固有的高效率和快速瞬时响应而引起对该应用的最大关注。然而，高降压电压转换率意味着非常低的占空比，这难以在单级降压转换器中实现。为了克服该问题，工业上采用能够具有纳秒开关时间的新兴氮化镓(GaN)场效应晶体管技术。另选地，利用级联降压转换器，从而产生中间总线电压并保持使用硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可实现的合理占空比。

上述两种解决方案都受到输出电压中负载释放瞬态的问题的影响。实际上，由于非常低的输出电压，输出滤波电感器中的可实现的电流转换速率为低的，即-Vo/L。因此，输出电容器需要吸收非常大的访问电荷，并且需要大的输出电容器以防止输出电压过冲。

图1示出了现有技术级联降压转换器，该现有技术级联降压转换器从输入源101接收输入供电电压V_IN并在负载110处将该输入供电电压转换为低输出电压Vo。级联转换器包括输入降压转换器级和输出降压转换器级，该输入降压转换器级包括第一高侧开关102、第一低侧开关103、第一电感器104和中间去耦电容器105，该输出降压转换器级包括第二高侧开关106、第二低侧开关107、第二电感器108和输出去耦电容器109。中间去耦电容器105产生中间总线电压V_c。第一高侧开关102和第一低侧开关103接收栅极驱动信号G1和第二高侧开关106和第二低侧开关107接收栅极驱动信号G2和第一电感器104和第二电感器108对应地传导电流I₁和I₂。输出负载110传导输出电流I_o。

图2示出了示出图1的现有技术转换器的示例性波形，该现有技术转换器在恒定导通时间(COT)模式下操作，而不限制其在其他控制模式下遭受的缺陷的一般性。两种降压转换器级同步地操作，并且波形201和202对应地表示栅极驱动信号G1和G2。

波形203、204和205对应地描绘电流I₂、I₁和Io。电流203中的阶跃在第二电感器108中留下需要由输出去耦电容器109吸收的残余能量。如图2所示，图1的转换器以小的占空比(即，)和根据的中间总线电压操作。因此，下降斜率转换速率dl₂/dt＝-V_o/L₂比上升斜率dl₂/dt＝(V_c-V_o)/L₂慢得多。因此，输出电流Io的负载释放瞬态在第二电感器108中留下非对称较大的过量电荷207。该电荷207导致波形206中看到的输出电压V_o的大的过冲。图1和图2所示的级联降压转换器在高降压电压比下操作，从而导致对负载释放瞬态的非对称差的响应。