本發(fā)明涉及，特別是使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法。

背景技術(shù)：

1、人工智能、5g技術(shù)和云計(jì)算等帶來的數(shù)據(jù)和計(jì)算的爆發(fā)式增長(zhǎng)推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心電源的迅速發(fā)展。作為數(shù)據(jù)中心電源的直接供電單元，48v：1v兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器（vrm）為gpu、cpu和asic等用電設(shè)備提供大降壓比、大輸出電流的功率變換，在功率容量和功率密度需求逐步升高的同時(shí)，迅速、可靠的瞬態(tài)響應(yīng)也是其當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。

2、圖1所示為兩級(jí)式vrm架構(gòu)的示意圖，第一級(jí)可以實(shí)現(xiàn)為llc-dcx固定增益變換器，第二級(jí)可以實(shí)現(xiàn)為多相交錯(cuò)buck。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電壓輸出，降低輸出電壓紋波，宜增大多相交錯(cuò)buck變換器的輸出電感；相反，為實(shí)現(xiàn)迅速的瞬態(tài)響應(yīng)，使輸出電壓避免在負(fù)載突增和負(fù)載突減時(shí)出現(xiàn)較大的下沖和上沖并迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，宜減小多相交錯(cuò)buck變換器的輸出電感。因此，vrm的設(shè)計(jì)存在穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化和瞬態(tài)性能優(yōu)化的矛盾。

3、主變換器以穩(wěn)態(tài)為優(yōu)先目標(biāo)而設(shè)計(jì)，并將輔助電路連接到buck變換器輸出端，在輸出電壓發(fā)生下沖和上沖時(shí)，分別注入和抽取電流，可以降低過沖振幅，使vrm可以在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)都表現(xiàn)出良好的性能，目前公開發(fā)表的實(shí)施方法如圖2所示。圖2的(a)?搭建有源電子電容器連接在輸出端，圖2的(b)采用輔助buck并聯(lián)在第二級(jí)dc/dc變換器。

4、上述實(shí)施方法存在的問題有：

5、（1）輔助buck與第二級(jí)dc/dc主電路buck并聯(lián)，對(duì)主電路buck瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)化能力有限；（2）電子電容器輔助電路器件數(shù)量多，控制復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，能夠在不改變主變換器硬件結(jié)構(gòu)和控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升優(yōu)化效果。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，系統(tǒng)構(gòu)成由dcx、多相交錯(cuò)buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構(gòu)成的兩級(jí)式主變換器和并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2和一個(gè)電感器 la；

3、采用多閾值比較賦權(quán)進(jìn)行狀態(tài)判定方法，比較變量包括輸出電壓的瞬時(shí)值 uo和微分值d uo/d t、輸出電流 io的微分值d io/d t和輸出電容的電流 ic的微分值d ic/d t，對(duì)應(yīng)變量的負(fù)載突增比較閾值分別為 uth1、 uth1'、 ioth1'和 icth1'，負(fù)載突減比較閾值分別為 uth2、 uth2'、 ioth2'和 icth2'，對(duì)應(yīng)權(quán)值分別為 p1~ p4，判斷變量為 p，判斷變量的負(fù)載突增和負(fù)載突減比較閾值分別為 pth1和 pth1。

4、在一較佳的實(shí)施例中，當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，即輸出電流變化幅值遠(yuǎn)小于系統(tǒng)功率容量允許的變化幅值，或變化速度導(dǎo)致的輸出電壓下沖和上沖幅值遠(yuǎn)小于輸出電壓幅值時(shí)，僅由主變換器完成功率變換，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2處于關(guān)斷狀態(tài)，電感器 la中無電流。

5、在一較佳的實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)的負(fù)載突增時(shí)，第一開關(guān)器件sa1首先通過第一開關(guān)器件sa1驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通，電感器 la電流迅速上升，輔助電路向負(fù)載側(cè)注入電流；持續(xù)一段時(shí)間至t2時(shí)，第一開關(guān)器件sa1關(guān)斷，第二開關(guān)器件sa2導(dǎo)通，電感器 la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)向負(fù)載側(cè)注入電流；在t3時(shí)，電感器 la電流降低至0，第二開關(guān)器件sa2關(guān)斷；電感器 la電流從0開始變化直回到0，稱為輔助電路的一個(gè)操作周期；在一次負(fù)載突增事件中，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖只出現(xiàn)一次，或周期性地或關(guān)于時(shí)間非線性地出現(xiàn)多次，以靈活控制電感器 la電感電流斜率。

6、在一較佳的實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)的負(fù)載突減時(shí)，第二開關(guān)器件sa2首先通過第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通，電感器 la電流反向上升，輔助電路從負(fù)載側(cè)抽取電流；持續(xù)一段時(shí)間至t5時(shí)，第二開關(guān)器件sa2關(guān)斷，第一開關(guān)器件sa1導(dǎo)通，電感器 la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)從負(fù)載側(cè)抽取電流；在t6時(shí)，電感器 la電流降低至0，第一開關(guān)器件sa1關(guān)斷；在一次負(fù)載突減事件中，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖只出現(xiàn)一次，或周期性地或關(guān)于時(shí)間非線性地出現(xiàn)多次，以靈活控制電感器 la電感電流斜率。

7、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

8、（1）兼容主變換器的各種不同控制策略

9、所述方法能夠在不改變主變換器硬件結(jié)構(gòu)和控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升優(yōu)化效果。主變換器的控制環(huán)路與輔助電路的控制環(huán)路可以相互解耦，任何針對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)速度的主變換器控制優(yōu)化策略均可以在本方案的主變換器上實(shí)施，而輔助電路能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升瞬態(tài)響應(yīng)速度。由于輔助電路在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)不動(dòng)作，所以對(duì)系統(tǒng)變換效率幾乎無影響。

10、（2）利用兩級(jí)結(jié)構(gòu)的高電壓差實(shí)現(xiàn)注入電流的迅速提升

11、相比電子電容器或并聯(lián)在第二級(jí)dc/dc變換器上的并聯(lián)buck輔助電路，本方案在應(yīng)對(duì)負(fù)載突增導(dǎo)致的輸出電壓下沖時(shí)，輔助電路通過兩級(jí)主變換器前后更高的電壓差實(shí)現(xiàn)更快的補(bǔ)償電流，能夠更顯著地降低輸出電壓下沖幅值，在大功率vrm領(lǐng)域表型更佳性能。

12、（3）檢測(cè)方法多樣，控制方式靈活

13、采用多閾值比較賦權(quán)進(jìn)行狀態(tài)判定方法，可以以數(shù)字處理器采樣實(shí)現(xiàn)，也可以使用模擬電路實(shí)現(xiàn)；可以增加或減少比較變量的數(shù)量，在保證狀態(tài)判斷可靠的前提下最少化邏輯運(yùn)算。

技術(shù)特征：

1.使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，其特征在于，系統(tǒng)構(gòu)成由dcx、多相交錯(cuò)buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構(gòu)成的兩級(jí)式主變換器和并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2和一個(gè)電感器la；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，其特征在于，當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，即輸出電流變化幅值遠(yuǎn)小于系統(tǒng)功率容量允許的變化幅值，或變化速度導(dǎo)致的輸出電壓下沖和上沖幅值遠(yuǎn)小于輸出電壓幅值時(shí)，僅由主變換器完成功率變換，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2處于關(guān)斷狀態(tài)，電感器la中無電流。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，其特征在于，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)的負(fù)載突增時(shí)，第一開關(guān)器件sa1首先通過第一開關(guān)器件sa1驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通，電感器la電流迅速上升，輔助電路向負(fù)載側(cè)注入電流；持續(xù)一段時(shí)間至t2時(shí)，第一開關(guān)器件sa1關(guān)斷，第二開關(guān)器件sa2導(dǎo)通，電感器la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)向負(fù)載側(cè)注入電流；在t3時(shí)，電感器la電流降低至0，第二開關(guān)器件sa2關(guān)斷；電感器la電流從0開始變化直回到0，稱為輔助電路的一個(gè)操作周期；在一次負(fù)載突增事件中，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖只出現(xiàn)一次，或周期性地或關(guān)于時(shí)間非線性地出現(xiàn)多次，以靈活控制電感器la電感電流斜率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，其特征在于，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)的負(fù)載突減時(shí)，第二開關(guān)器件sa2首先通過第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制導(dǎo)通，電感器la電流反向上升，輔助電路從負(fù)載側(cè)抽取電流；持續(xù)一段時(shí)間至t5時(shí)，第二開關(guān)器件sa2關(guān)斷，第一開關(guān)器件sa1導(dǎo)通，電感器la電流開始下降，輔助電路繼續(xù)從負(fù)載側(cè)抽取電流；在t6時(shí)，電感器la電流降低至0，第一開關(guān)器件sa1關(guān)斷；在一次負(fù)載突減事件中，第一開關(guān)器件sa1、第二開關(guān)器件sa2驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖只出現(xiàn)一次，或周期性地或關(guān)于時(shí)間非線性地出現(xiàn)多次，以靈活控制電感器la電感電流斜率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及使用并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器提升兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)器模塊瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法，系統(tǒng)構(gòu)成由DCX、多相交錯(cuò)Buck、輸入電容、中間母線電容和輸出電容構(gòu)成的兩級(jí)式主變換器和并聯(lián)單級(jí)旁路斬波器輔助電路，其中輔助電路包含第一開關(guān)器件S<subgt;a1</subgt;、第二開關(guān)器件S<subgt;a2</subgt;和一個(gè)電感器L<subgt;a</subgt;；應(yīng)用本技術(shù)方案能夠在不改變主變換器硬件結(jié)構(gòu)和控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升優(yōu)化效果。

技術(shù)研發(fā)人員：張藝明,張韜,謝鴻彪,陳孝鶯,毛行奎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19