ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УКАЗАННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
CONVERTER DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING SAID CONVERTER DEVICE

Содержание европейской патентной заявки ЕР 16 161 038.1 включено в данный документ по ссылке.
Изобретение относится к преобразовательному устройству для преобразования входного напряжения в выходное напряжение в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу управления преобразовательным устройством.
В локализованных к нагрузке электронных устройствах преобразователи постоянного напряжения в постоянное необходимы для обеспечения регулируемого напряжения постоянного тока для различных функциональных блоков системы. В широком смысле эти функциональные блоки требуют различных уровней напряжения и мощности, поэтому для каждого блока используются специально предназначенные для этого локализованные к нагрузке преобразователи. Для таких систем используются разработанные по индивидуальному заказу понижающие преобразователи в качестве подходящих локализованных к нагрузке преобразовательных устройств. Использование заказных понижающих преобразователей позволяет разработчику максимизировать эффективность, минимизировать размеры каждого понижающего преобразователя и оптимизировать характеристики всей системы. Однако заказные понижающие преобразователи повышают сложность конструкции на уровне системы и расходы на изготовление, а также влияют на надежность. В заявке US 2008/0019158 А1 раскрывается пример типичного двухфазного встроенного понижающего преобразователя.
Целью настоящего изобретения является создание широкоуниверсального преобразовательного устройства, обеспечивающего широкий диапазон напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности при высокой эффективности технологического процесса, малых размерах и хороших динамических характеристиках.
Данная цель достигается преобразовательным устройством для преобразования входного напряжения в выходное напряжение в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения. Предлагаемое преобразовательное устройство работает по принципу трансформируемости, которая относится к возможности выбирать режим работы на основе условий эксплуатации. Семь переключателей, навесной конденсатор и блок управления обеспечивают характеристику смены режимов. В частности, блок управления является цифровым блоком управления. Преобразователь содержит семь переключателей, чтобы, с одной стороны, обеспечивать различные рабочие режимы, а с другой стороны, не допускать ненужных потерь. Благодаря наличию семи переключателей и навесного конденсатора предлагаемое преобразовательное устройство также называется преобразовательным устройством с семью переключателями и навесным конденсатором или преобразовательным устройством 7SFC. Соответственно, предлагаемый преобразователь также называется преобразовательным устройством с семью переключателями и навесным конденсатором или преобразовательным устройством 7SFC. В зависимости от условий эксплуатации преобразовательное устройство может работать в различных рабочих режимах, максимизируя эффективность во всем диапазоне рабочих режимов. Условия эксплуатации характеризуются по крайней мере одним из параметров входного напряжения, выходного напряжения, заданного выходного напряжения, выходного тока, заданного выходного тока, коэффициента преобразования или коэффициента загрузки. Например, могут обеспечиваться по крайней мере два из следующих рабочих режимов: режим высокого коэффициента снижения, режим трехступенчатого снижения, двухфазный режим снижения периодического действия, однофазный режим трехступенчатого снижения и однофазный режим снижения периодического действия. Рабочий режим максимальной эффективности выбирается логикой селекции режимов. Например, логика селекции режимов содержит таблицу преобразования с предварительно заданными пороговыми напряжениями и пороговыми значениями тока. Преобразовательное устройство является по крайней мере одним из двух видов преобразователей: повышающее преобразовательное устройство или понижающее преобразовательное устройство.
out
in
Если преобразовательное устройство работает как понижающее преобразовательное устройство, применим коэффициент преобразования М=V/V:1/24≤М≤1, предпочтительно 1/48≤М≤1, предпочтительно 1/80≤М≤1.
Далее, если преобразовательное устройство работает как повышающее преобразовательное устройство, применим коэффициент преобразования М: 1≤М≤24, предпочтительно 1≤М≤48, предпочтительно 1≤М≤80.
S
S
S
S
Управление преобразовательным устройством производится с частотой переключения f. Например, это относится к частоте переключения: 200 кГц≤f≤1600 кГц, предпочтительно 400 кГц≤f≤1400 кГц, предпочтительно 600 кГц≤f≤1200 кГц.
load
load
load
load
Далее, это относится, например, к току нагрузки I:0,1 А≤I≤10 А, предпочтительно 0,5 А≤I≤8 А и предпочтительно 1 А≤I≤6 А.
S
load
Эффективность обработки мощности преобразовательного устройства определяется как соотношение выходной мощности и входной мощности. Эффективность обработки мощности зависит от коэффициента преобразования М, частоты переключения f и/или тока нагрузи I. Эффективность обработки мощности составляет по крайней мере 75%, предпочтительно по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 85%, и предпочтительно по меньшей мере 90% для всего диапазона рабочих режимов. Преобразовательное устройство поддерживает высокую и почти плоскую кривую эффективности для всего диапазона рабочих режимов.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 2 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Установка семи переключателей позволяет использовать двухфазный преобразователь "постоянный ток - постоянный ток" для выполнения различных рабочих режимов. Кроме того, преобразовательное устройство обеспечивает снижение градиента напряжения в реактивных элементах до половины входного напряжения в понижающем преобразовательном устройстве или до половины выходного напряжения в повышающем преобразовательном устройстве. Вторая клемма входного напряжения и вторая клемма выходного напряжения соединены, в частности, с основным узлом. Основной узел заземлен.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 3 формулы изобретения обеспечивает высокую эффективность обработки мощности благодаря снижению коммутационных потерь и градиента напряжения. Напряжение в навесном конденсаторе равно половине входного напряжения в понижающем преобразовательном устройстве или половине выходного напряжения в повышающем преобразовательном устройстве. Это позволяет снижать градиент напряжения переключателей и реактивных элементов, а также снижать размеры реактивных элементов. Кроме того, снижаются коммутационные потери переключателей.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 4 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Оба индуктора могут работать параллельно. Это позволяет распределять ток нагрузки между двумя индукторами, снижая необходимые размеры и потери индукторов.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 5 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. В случае понижающего преобразовательного устройства выходной конденсатор адаптирует пульсации выходного напряжения и отклонение выходного напряжения до заданного значения. В частности, конденсатор соединен с основным узлом.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 6 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Средства переключения обеспечивают сигналы переключения, чтобы включать переключатели в зависимости от выбранного рабочего режима, а именно в зависимости от рабочего режима, обеспечиваемого сигналом режима логики селекции режимов. Средства переключения включают, в частности, модулятор ширины цифрового импульса.
S
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 7 формулы изобретения может обеспечивать регулируемое выходное напряжение. Блок управления напряжением обеспечивает средства переключения с коэффициентом загрузки, чтобы управлять переключателями в зависимости от указанного коэффициента загрузки. Выходное напряжение измеряется датчиком напряжения и передается предпочтительно в область цифровых данных с помощью соответствующего аналого-цифрового преобразователя. На цифровой компенсатор напряжения подается сигнал отклонения, представляющий разность между заданным выходом цифровых данных напряжения и измеренным выходом цифровых данных напряжения. Выходной сигнал цифрового компенсатора напряжения является коэффициентом загрузки D. Коэффициент загрузки D является соотношением длительности импульса Т и времени переключения T. К коэффициенту загрузки относится выражение: 0≤D≤1, в частности 0<D<1.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 8 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности и высокую эффективность обработки мощности. На основе сигналов, предпочтительно сигналов входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока, логика селекции режимов определяет подходящий рабочий режим. Например, логика селекции режимов использует таблицу преобразования сигналов для обеспечения сигнала режима на средства переключения, что определяет соответствующий рабочий режим. Кроме того, компенсатор напряжения можно разрабатывать с различными параметрами в зависимости от рабочего режима для достижения оптимальных динамических характеристик для каждого рабочего режима.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 9 формулы изобретения обеспечивает высокую эффективность обработки мощности для высоких коэффициентов снижения при средних и тяжелых режимах нагрузки. Такой рабочий режим называется режимом высокого коэффициента снижения (HSD). Этот режим обеспечивает высокую эффективность для случаев высокого коэффициента снижения. В установившемся режиме напряжение на концах навесного конденсатора равно половине входного напряжения преобразователя. Это означает, что все переключатели могут рассчитываться на половину полного входного напряжения. Преимуществами более низкого расчетного значения напряжения являются уменьшение размеров и снижение коммутационных потерь.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 10 формулы изобретения обеспечивает высокую эффективность обработки мощности для пониженных режимов нагрузки в тех случаях, когда требуется высокий коэффициент снижения. Такой режим называется режимом трехступенчатого снижения. В этом режиме параллельно работают оба индуктора, включая пятый переключатель и седьмой переключатель на весь цикл переключения. Это позволяет распределять ток нагрузки между двумя индукторами, снижая необходимые размеры и потери индукторов. Все переключатели срабатывают при половине входного напряжения, снижая коммутационные потери.
1
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 11 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Этот рабочий режим может использоваться для коэффициентов преобразования около или более 0,5. Такой режим называется первым двухфазным режимом снижения периодического действия (IB). Он может использоваться для коэффициента загрузки D≥0,5.
2
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 12 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Этот рабочий режим может использоваться для коэффициентов преобразования около или более 0,5. Такой режим называется вторым двухфазным режимом снижения периодического действия (IB). Он может использоваться для коэффициента загрузки D≤0,5.
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 13 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Этот рабочий режим позволяет обеспечивать сброс фазы, чтобы еще больше повысить эффективность обработки мощности при слабых токах. Такой рабочий режим называется однофазным режимом трехступенчатого снижения (SP3LB).
Преобразовательное устройство в соответствии с п. 14 формулы изобретения обеспечивает высокую степень универсальности. Этот рабочий режим позволяет обеспечивать сброс фазы, чтобы еще больше повысить эффективность обработки мощности при слабых токах. Такой рабочий режим называется однофазным режимом снижения периодического действия (SPIB).
Далее, целью настоящего изобретения является создание широкоуниверсального метода управления преобразовательным устройством, обеспечивающего широкий диапазон напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности при высокой эффективности технологического процесса, малых размерах и хороших динамических характеристиках.
Данная цель достигается способом управления преобразовательным устройством, включающим операции в соответствии с п. 15 формулы изобретения. В соответствии с изобретением преимущества способа соответствуют вышеизложенным преимуществам преобразовательного устройства.
Дальнейшие признаки, преимущества и подробности изобретения вытекают из нижеследующего описания примеров осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
На Фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразовательного устройства с преобразователем и цифровым блоком управления.
На Фиг. 2 изображено первое состояние преобразователя в режиме высокого коэффициента снижения.
На Фиг. 3 изображено второе и четвертое состояния преобразователя в режиме высокого коэффициента снижения.
На Фиг. 4 изображено третье состояние преобразователя в режиме высокого коэффициента снижения.
На Фиг. 5 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя в режиме высокого коэффициента снижения.
На Фиг. 6 изображено первое состояние преобразователя в режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 7 изображено второе и четвертое состояния преобразователя в режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 8 изображено третье состояние преобразователя в режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 9 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя в режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 10 изображено первое и третье состояния преобразователя в первом двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 11 изображено второе состояние преобразователя в первом двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 12 изображено четвертое состояние преобразователя в первом двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 13 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя в первом двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 14 изображено первое состояние преобразователя во втором двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 15 изображено второе и четвертое состояния преобразователя во втором двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 16 изображено третье состояние преобразователя во втором двухфазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 17 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя во втором режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 18 изображено первое состояние преобразователя в однофазном режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 19 изображено второе и четвертое состояния преобразователя в однофазном режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 20 изображено третье состояние преобразователя в однофазном режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 21 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя в однофазном режиме трехступенчатого снижения.
На Фиг. 22 изображено первое состояние преобразователя в однофазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 23 изображено второе состояние преобразователя в однофазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 24 изображена временная диаграмма напряжений и токов преобразователя в однофазном режиме снижения периодического действия.
На Фиг. 25 изображена кривая эффективности типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия и предлагаемого преобразователя для первой рабочей точки.
На Фиг. 26 изображена кривая эффективности типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия и предлагаемого преобразователя для второй рабочей точки.
На Фиг. 27 изображена кривая эффективности типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия и предлагаемого преобразователя для третьей рабочей точки.
in
out
in
out
out
in
На Фиг. 1 изображено преобразовательное устройство 1 для преобразования входного напряжения V в выходное напряжение V. Преобразовательное устройство 1 включает преобразователь 2 и цифровой блок управления 3 для управления преобразователем 2. Преобразовательное устройство 1 используется, например, для преобразования входного напряжения V постоянного тока в более низкое выходное напряжение V постоянного тока. Коэффициент снижения или коэффициент преобразования М определяется следующим выражением: М=V/V.
1
2
in
1
2
out
load
fly
1
2
Преобразователь 2 включает первую клемму входного напряжения in и вторую клемму входного напряжения in для приложения входного напряжения V. Кроме того, преобразователь 2 включает первую клемму выходного напряжения out и вторую клемму выходного напряжения out, чтобы передавать выходное напряжение V и выходной ток или ток нагрузки I на нагрузку R. Преобразователь 2 далее включает реактивные элементы, а именно навесной конденсатор C, конденсатор С, первый индуктор L и второй индуктор L.
1
1
1
1
fly
2
2
2
0
2
3
3
3
1
1
1
4
4
4
5
5
5
2
1
5
6
0
3
7
4
1
2
1
2
0
2
2
В случае использования преобразователя 2 в качестве понижающего преобразователя 2 первая клемма входного напряжения in соединяется через первый переключатель SW с первым местом соединения N. Первое место соединения N соединяют через навесной конденсатор C со вторым местом соединения N. Второе место соединения N соединяют через второй переключатель SW с основным узлом N. Второе место соединения N далее соединяют через третий переключатель SW с третьим местом соединения N. Третье место соединения N соединяют через индуктор L с первой клеммой выходного напряжения out. Первое место соединения N далее соединяют через четвертый переключатель SW с четвертым местом соединения N. Далее, четвертое место соединения N соединяют через пятый переключатель SW с пятым местом соединения N. Пятое место соединения N соединяют через второй индуктор L с первой выходной клеммой out. Пятое место соединения N соединяют через шестой переключатель SW с основным узлом N. Третье место соединения N далее соединяют через седьмой переключатель SW с четвертым местом соединения N. Выходной конденсатор С устанавливают параллельно первой клемме выходного напряжения out и второй клемме выходного напряжения out. Это значит, что первая клемма выходного напряжения out соединена через выходной конденсатор С со второй клеммой выходного напряжения out. Основной узел N, вторая клемма входного напряжения in и вторая клемма выходного напряжения out заземлены.
1
2
1
2
В случае использования преобразователя 2 в качестве повышающего преобразователя 2 клеммы входного напряжения in, in и клеммы выходного напряжения out, out меняют между собой. В этом случает конденсатор С называют входным конденсатором С.
in
in
in
out
in
in
Входное напряжения V измеряют с помощью первого датчика напряжения 4 и передают на аналого-цифровой преобразователь 5. Аналого-цифровой преобразователь 5 передает входное напряжение V в область цифровых данных и обеспечивает передачу цифрового сигнала входного напряжения V' в цифровой блок управления 3. Соответственно, выходное напряжение V, измеренное вторым датчиком напряжения 6, передается далее в аналого-цифровой преобразователь 7. Аналого-цифровой преобразователь 7 передает выходное напряжение V в область цифровых данных и обеспечивает передачу цифрового сигнала входного напряжения V' в цифровой блок управления 3.
in
ref
ref
in
ref
ref
ref
1
7
Цифровой блок управления 3 включает логику селекции режимов 8, средства управления переключателями 9 и цифровой блок управления напряжением 10. Логика селекции режимов имеет три сигнальных входа для получения входного напряжения V', заданного выходного напряжения V и заданного выходного тока I. Логика селекции режимов 8 генерирует сигнал режима S для выбора подходящего рабочего режима из группы различных рабочих режимов в зависимости от входного напряжения V', заданного выходного напряжения V и/или заданного выходного тока I. Например, логика селекции режимов 8 включает таблицу преобразования, которая генерирует сигнал режима S в зависимости от заданного коэффициента преобразования М и режимов нагрузки, характеризуемых заданным выходным током I. Средства управления переключателями 9 соединяют с логикой селекции режимов 8 для получения сигнала режима S, чтобы управлять переключателями от SW до SW в зависимости от выбранного рабочего режима.
ref
out
1
7
S
Цифровой блок управления напряжением 10 включает компенсатор напряжения 10, который получает сигнал отклонения е=V-V'. Компенсатор напряжения 11 рассчитывает коэффициент загрузки D. Средства управления переключателями 9 соединяют с блоком управления напряжением 10 для получения коэффициента загрузки D и управления переключателями от SW до SW в зависимости от коэффициента загрузки D. Коэффициент загрузки D является соотношением между заданной длительностью импульса Т и временем переключения T.
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
Средства управления переключателями 9 соединяют с переключателями от SW до SW и генерируют для каждого переключателя от SW до SW соответствующий сигнал переключения от G до G. Переключатели от SW до SW включают или выключают в зависимости от уровня соответствующего сигнала переключения от G до G. Переключатели от SW до SW являются, например, полевыми МОП-транзисторами.
Средства управления переключателями 9 включают первую последовательность переключений для выполнения первого рабочего режима. Такой рабочий режим называется режимом высокого коэффициента снижения или HSD. Последовательность переключений в режиме HSD является следующей:
1
7
1
4
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, a ST - ST обозначают четыре состояния цикла переключения. Далее, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ.
1
4
L1
L2
1
2
L1
L2
1
2
S
На Фиг. от 2 до 4 изображен преобразователь в состояниях от 1 (ST) до 4 (ST) цикла переключения. Кроме того, на фиг. 5 изображена временная диаграмма напряжений V и V на концах индукторов L и L и токов i и i, протекающих через индукторы L и L. Здесь t обозначает показатель времени диаграммы, a T обозначает время переключения цикла переключения. Продолжительность состояний от 1 до 4 зависит от коэффициента загрузки D.
Cfly
fly
in
1
4
fly
1
L1
L2
Режим HSD имеет высокую эффективность обработки мощности для высоких коэффициентов снижения М при средних и тяжелых режимах нагрузки. В установившемся режиме напряжение V на концах навесного конденсатора C равно половине входного напряжения V. Последовательность переключений состоит из четырех состояний от ST до ST, где в состоянии 1 навесной конденсатор C и индуктор L заряжаются энергией. Состояние 2 является состоянием синхронного выпрямления. В состоянии 2 токи индуктора i и iразделены. Благодаря такому распределению токов снижаются энергопотери.
fly
2
Во время состояния 3 навесной конденсатор C разряжается, а индуктор Lзаряжается. Состояние 4 является повторением состояния 2.
Cfly
in
1
2
out
in
L1
L2
1
2
fly
1
2
1
7
in
Напряжение навесного конденсатора V поддерживают на уровне V/2 с помощью двух индукторов L и L, а коэффициент преобразования составляет М (D)=V/V=D/2. В режиме HSD изменения напряжений коммутационного узла V и V снижаются наполовину по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия, обеспечивая значительное снижение значений индуктивности индукторов L и L. Так как конденсаторы C и С имеют до трех порядков меньшие размеры по сравнению с индукторами L и L для такого же объема накапливаемой энергии, общие размеры реактивных элементов преобразователя 2 уменьшаются по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия. В режиме HSD все переключатели от SW до SW блокируют только половину входного напряжения V. Это означает, что если используют одинаковую кремниевую зону для двух циклов выполнения, то как коммутационные потери, так и потери на диэлектрическую проводимость полупроводниковых компонентов такой топологии могут быть меньше по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия.
Средства управления переключателями 9 далее включают вторую последовательность переключений для выполнения второго рабочего режима. Такой второй рабочий режим называют режимом трехступенчатого снижения или 3LB. Последовательность переключений в режиме 3LB является следующей:
1
7
1
4
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, а состояния от ST до ST обозначают четыре состояния цикла переключения. Далее, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ.
1
4
L1
L2
1
2
L1
L2
1
2
Фиг. от 6 до 8 изображают состояния преобразователя от 1 (ST) до 4 (ST) в режиме 3LB. Кроме того, фиг. 9 изображает временную диаграмму напряжений V и V на концах индукторов L и L и токов i и i в индукторах L и L.
fly
1
2
L1
L2
fly
in
fly
В состоянии 1 навесной конденсатор C заряжается через индукторы L и L. Состояние 2 является состоянием синхронного выпрямления. В состоянии 2 токи индуктора i и i разделены. В состоянии 3 навесной конденсатор C разряжается, поддерживая примерно постоянный уровень напряжения V/2 навесного конденсатора C. Состояние 4 является повторением состояния 2.
5
7
1
2
load
1
2
1
2
1
7
in
Режим 3LB можно использовать в условиях небольшой нагрузки, когда требуется высокий коэффициент снижения М, например, М<0,5. В режиме 3LB переключатели SW и SW постоянно включены, а индукторы L и L соединены параллельно. Это позволяет распределять ток нагрузки I между двумя индукторами L и L, снижая требуемые размеры и потери индукторов L и L. Режим 3LB действует в диапазоне коэффициента загрузки 0<D<0,5 и при коэффициенте преобразования М(D)=D. Переключатели от SW до SW включают при половине входного напряжения V, снижая коммутационные потери.
1
1
Средства управления переключателями 9 далее включают третью последовательность переключений для выполнения третьего рабочего режима. Такой режим называют первым двухфазным режимом снижения периодического действия или режимом IB. Последовательность переключений в режиме IB является следующей:
1
7
1
4
1
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, а состояния от ST до ST обозначают четыре состояния цикла переключения. Кроме того, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ. Режим IB может использоваться главным образом для коэффициентов преобразования М равных или более 0,5. Коэффициент преобразования М для режима IB доставляет М(D)=D, при этом применим коэффициент загрузки D: D>0,5.
1
4
1
L1
L2
1
2
L1
L2
1
2
Фиг. от 10 до 12 изображают состояния преобразователя 2 от 1 (ST) до 4 (ST) в первом двухфазном режиме IB. Далее, фиг. 13 показывает временную диаграмму напряжений V и V на концах индукторов L и L и токов i и i в индукторах L и L.
1
2
in
3
5
1
2
2
1
in, max
in
in, max
in, max
1
2
4
Cfly
in
В состоянии 1 оба индуктора L и L заряжаются входным напряжением V на местах соединения N и N. В состоянии 2 индуктор L продолжает заряжаться, а индуктор L выполняет синхронное выпрямление. Состояние 3 является повторением состояния 1. В состоянии 4 индуктор L продолжает заряжаться, а индуктор L выполняет синхронное выпрямление. Для поддержания характеристик всех переключателей при V/2, данный рабочий режим используют для V<V/2, где V является максимально допустимым входным напряжением для преобразователя 2. Так как переключатели SW, SW и SW остаются в состояниях от 1 до 4, напряжение на конденсаторе V сохраняется при входном напряжении V.
2
2
Средства управления переключателями 9 далее включают четвертую последовательность переключений для выполнения четвертого рабочего режима. Такой режим называют вторым двухфазным режимом снижения периодического действия или режимом IB. Последовательность переключений режима IB является следующей:
1
7
1
4
2
1
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, а состояния от ST до ST обозначают четыре состояния цикла переключения. Далее, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ. В целом режим IB соответствует режиму IB, но при этом действует коэффициент загрузки D:D<0,5.
1
4
2
L1
L2
1
2
L1
L2
1
2
1
2
1
Фиг. от 14 до 16 изображают состояния преобразователя 2 от 1 (ST) до 4 (ST) в режиме IB. Далее, фиг. 17 показывает напряжения V и V на концах индукторов L и L и токов i и i, протекающих через индукторы L и L. В состояниях 2 и 4 оба индуктора L и L разряжаются. Относительно дальнейших подробностей смотрите описание режима IB.
Средства управления переключателями 9 далее включают пятую последовательность переключений для выполнения пятого рабочего режима. Такой рабочий режим называется однофазным режимом трехступенчатого снижения или режимом SP3LB. Последовательность переключений в режиме SP3LB является следующей:
1
7
1
4
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, a ST - ST обозначают четыре состояния цикла переключения. Далее, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ.
1
4
L1
1
L1
1
Фиг. от 18 до 20 изображают состояния преобразователя 2 от 1 (ST) до 4 (ST) в режиме SP3LB. Далее, фиг. 21 показывает напряжение V на индукторе L и ток i, протекающий через индуктор L. В целом режим SP3LB соответствует режиму 3LB, однако в режиме SP3LB используется сброс фазы, чтобы еще больше повысить эффективность обработки мощности. Относительно дальнейших подробностей смотрите описание режима 3LB.
Средства управления переключателями 9 далее включают шестую последовательность переключений для выполнения шестого рабочего режима. Такой рабочий режим называется однофазным режимом снижения периодического действия или режимом SPIB. Последовательность режима SPIB является следующей:
1
7
1
2
где SW - SW обозначают вышеупомянутые семь переключателей, a ST и ST обозначают два состояния цикла переключения. Далее, 0 означает ВЫКЛ., а 1 означает ВКЛ.
1
2
L1
1
L1
1
1
1
Фиг. 22 и 23 изображают состояния 1 (ST) и 2 (ST) преобразователя 2 в режиме SPIB. Далее, фиг. 24 показывает напряжение V на индукторе L и ток i, протекающий через индуктор L. В целом режим SPIB соответствует состояниям 1 и 4 режима IB, однако в режиме SPIB используется сброс фазы, чтобы еще больше повысить эффективность обработки мощности при слабых токах. Относительно дальнейших подробностей смотрите описание режима IB.
in
ref
ref
1
7
Логика селекции режимов 8 определяет подходящий рабочий режим в зависимости от входного напряжения V', заданного выходного напряжения V и заданного выходного тока I. Этот подходящий рабочий режим выбирается из вышеупомянутых рабочих режимов. Например, логика селекции режимов 8 определяет подходящий рабочий режим, используя таблицу преобразования с предварительно заданными пороговыми напряжениями и имеющиеся в таблице сведения о максимальной эффективности для конкретных рабочих режимов. Логика селекции режимов 8 посылает соответствующий сигнал S режима на средства управления переключателями 9, которые содержат вышеупомянутые последовательности переключений для каждого рабочего режима. Средства управления переключателями 9 управляют переключателями от SW до SW, используя коэффициент загрузки D от компенсатора напряжения 11 и сигнал режима S от логики селекции режимов 8. Кроме того, компенсатор напряжения 11 можно разрабатывать с различными параметрами в зависимости от рабочего режима для достижения оптимальных динамических характеристик для каждого рабочего режима.
Преобразовательное устройство 1 сравнивается с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия, известным из заявки США US 2008/0019158 А1. Для сравнения используется частота переключения 800 кГц.
1
2
Для сравнения размеров реактивных элементов преобразователя 2 с размерами элементов типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия сопоставляются требования к накоплению энергии. Для получения такого же колебания тока индуктивность преобразователя 2 может быть снижена на 33%, обеспечивая уменьшение размеров индукторов L и L. Далее, для получения заданного изменения выходного напряжения в ответ на переходный режим при изменении нагрузки необходимый выходной конденсатор С для преобразователя 2 может иметь размеры на 33% меньше конденсатора в типичном двухфазном понижающем преобразователе периодического действия для достижения таких же рабочих характеристик.
Для демонстрации повышения эффективности преобразовательного устройства 1 по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия сравниваются следующие три рабочие точки указанных преобразователей:
in
out
рабочая точка 1: V=12 В и V=1 В;
in
out
рабочая точка 2: V=12 В и V=5 В;
in
out
рабочая точка 3: V=36 В и V=12 В.
load
Фиг. 25 изображает кривую эффективности для типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия (левая сторона) и преобразователя 2, работающего в режиме высокого коэффициента снижения (правая сторона), для рабочей точки 1. Целью режима высокого коэффициента снижения является достижение максимальной эффективности для высоких коэффициентов снижения. В рабочей точке 1 режим высокого коэффициента снижения повышает эффективность типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия для всего диапазона токов нагрузки I. Режим высокого коэффициента снижения обеспечивает снижение коммутационных потерь в результате повышения эффективности.
load
Фиг. 26 изображает кривую эффективности для типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия (левая сторона) и режима трехступенчатого снижения и двухфазного режима снижения периодического действия преобразователя 2 (правая сторона) для рабочей точки 2. Для рабочей точки 2 режим максимальной эффективности преобразователя 2 зависит от токов нагрузки I. На нижнем конце токов нагрузки в режиме трехступенчатого снижения имеет значительно более высокую эффективность по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия и по сравнению с двухфазным режимом снижения периодического действия. Когда ток нагрузки повышается, двухфазный режим снижения периодического действия становится режимом максимальной нагрузки. Для этого сегмента токов нагрузки преобразователь 2 обеспечивает почти эквивалентную эффективность по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия. Немного сниженная эффективность вызывается более высокими потерями на диэлектрическую проводимость в двухфазном режиме снижения периодического действия по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия.
Фиг. 26 изображает кривую эффективности для типичного двухфазного понижающего преобразователя периодического действия и режима трехступенчатого снижения преобразователя 2 для рабочей точки 3. Режим трехступенчатого снижения преобразователя 2 имеет улучшенную эффективность для малых и средних нагрузок для высоких входных напряжений. Это вызывается пониженным напряжением блокирования переключений и перепадом напряжения.
Правильно выбирая рабочие режимы преобразователя 2, добиваются повышения эффективности в пределах всего диапазона рабочих режимов.
1
2
1
2
1
7
Преобразовательное устройство 1 обеспечивает топологию широкоуниверсального преобразователя "постоянный ток - постоянный ток" с высокой плотностью мощности для широкого диапазона точек подключения нагрузки. Преобразователь 2 называется преобразователем с семью переключателями и навесным конденсатором или преобразователем 7SFC. Для преобразователя 2 нужны индукторы L L меньших размеров по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия, и в то же время он повышает эффективность обработки мощности. Эти преимущества достигаются снижением перепада напряжения на концах индукторов L и L и градиента напряжения всех переключателей от SW до SW до половины полного входного напряжения для нескольких рабочих режимов. Преобразовательное устройство 1 в целом имеет следующие преимущества:
- мультимодальный режим переключений, в частности обеспечиваемый цифровым блоком управления 3;
- оптимизация эффективности на основе рабочих точек;
- значительно улучшенная эффективность при высоких коэффициентах снижения по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем периодического действия за счет значительного снижения коммутационных потерь;
- пониженные размеры индукторов;
- пониженные требования к выходному конденсатору;
1
7
- уменьшенная кремниевая зону для переключателей от SW до SW по сравнению с типичным двухфазным понижающим преобразователем.