[发明专利]直流-直流变换器及直流-直流变换系统

说明书

技术领域

本公开总体涉及直流-直流（DC-DC）变换器及直流-直流变换系统。更具体地，本公开涉及具有改进的电路设计和配置以实现更高功率变换效率和更高功率密度的中间总线变换器以及包括该中间总线变换器的直流-直流变换系统。

背景技术

中间总线电源架构广泛用于电子设备中以从集中式输入电压（例如48V）提供多输出电压（例如，3.3V、1.8V、1.2V等），从而实现电源系统的设计灵活性并提高整体功率变换效率。一种称为中间总线变换器的隔离DC-DC变换器被用来将将输入电压变换为低电压，然后该低电压通过非隔离DC-DC变换器提供多输出电压，从而满足系统的不同需求，如图1所示。

中间总线变换器大多安装在客户的系统板上。客户系统有很多形式，例如网络系统、计算机系统、服务器系统、通信系统等等。此类变换器中集成了主功率开关、同步整流器、变压器和电感等，其中，主功率开关和同步整流器通常安装在一块主PCB板上。铁芯分别从PCB板的正面和反面扣合起来和PCB绕组一起组成变压器；电感的铁芯也以同样的方式进行安装组成电感。由于全部功率流将通过中间总线变换器，因此中间总线变换器的效率和功率密度对于提高整个电源系统的效率和优化系统的热设计尤其重要。对于隔离DC-DC变换器，功率损失来自于几个部分：初级开关损耗，包括开关损耗和传导损耗；变压器功率损耗，包括磁芯损耗、绕组损耗和漏感损耗；次级调节功率损耗，包括传导损耗和反向恢复损耗。而且由于同步整流器的体二极管具有不良的反向恢复特性而导致其功率损耗常常显著影响变换器的效率。

为了改善变换器的效率，设计人员可保持上述各功率损耗部分的平衡，并使得总功率损耗尽可能低。存在几种技术可用来减小中间总线变换器的功率损耗。一种是采用谐振变换器，如图2所示，电路拓扑包括初级开关S11及S12、初级电容器C1、C2及C3、初级电感器L1、变压器T、次级同步整流器S21及S22、次级电容器C4。谐振拓扑结构保持初级开关S11及S12和次级同步整流器S21及S22工作在软开关状态，因此初级开关损耗和次级反向恢复损耗将被大部分消除。另外，由于采用谐振拓扑结构，可以省掉PWM变换器中用于保持输出电流连续的输出电感器。这使得可以在次级侧使用低额定电压的同步整流器。然而，谐振拓扑结构会在初级侧和次级侧引起高RMS电流，导致高传导损耗。谐振变换器的另一个问题是输出中存在大的输出电流纹波，如果输出电容不是足够大，这会导致电压波动，因此在需要更多地考虑输出纹波电流时谐振变换器不是一个好的选择。

对于PWM中间总线变换器，一种改善效率的方法是去掉调节功能，如图3所示。没有调节的变换器称为非调节（non-regulated）变换器，工作在固定的接近50%的占空比，初级开关中的峰值电流和RMS电流均减小，传导损耗和开关损耗均相应减小。另外，由于固定的接近50%的占空比，同步整流器的电压应力也减小，因此可以使用低额定电压的同步整流器。由于低电压开关通常具有低导通电阻和更好的反向恢复特性，因此同步整流器的传导损耗和反向恢复损耗均减小。然而，在现有技术中，为了保持次级电流回路中的最小开关损耗，通常采用两个次级变压器绕组，这两个次级绕组在正开关周期和负开关周期交替传导电流，如图3所示。虽然同步整流器的传导损耗由于次级电流回路中只有一个开关而减小，但变压器绕组中的功率损耗由于两个次级绕组依次交替传导电流而仍然很高，这样，变压器次级绕组的利用率就很低，变压器次级绕组的传导阻抗和传导损耗都很大。另外，由于两个次级绕组需要三个大电流端子，因此会导致较高的端子功率损耗。

非调节变换器一般仅用于窄输入电压（narrow input voltage）的系统中，因为输出电压应与输入电压成比例变化。一旦输入电压范围较宽，或者非隔离DC-DC级不能接受更宽的输入范围，则仍然需要中间总线变换器的调节功能。因此，对于调节变换器和非调节变换器都需要改进的电路设计和配置以实现更好的功率变换效率。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

因此，本公开的目的之一是提供一种新颖的直流-直流变换器配置及其设计和构造方法。

本公开的其他目的、特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。