CN113852272A - 通量校正开关电源转换器 - Google Patents

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Abstract

一种通量校正开关电源转换器包括第一变压器、第一开关级、控制器以及通量校正电流源。该第一变压器包括第一磁芯、第一初级绕组和第一次级绕组，并且该第一开关级电耦合到该第一次级绕组。该控制器被配置为对至少该第一开关级的开关进行控制。该通量校正电流源电耦合到第一初级绕组，并且该通量校正电流源被配置为将电流注入该第一初级绕组中以至少部分地抵消该第一磁芯中的由流过该第一次级绕组的电流生成的磁通量。

Description

通量校正开关电源转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年6月26日提交的美国临时专利申请序列号63/044,901的优先权权益，该美国临时专利申请通过引用以其全文结合在此。
背景技术
开关电源转换器广泛用于电子装置中，诸如以提供稳压电源。开关电源转换器被配置为使得其固态电源开关器件不会持续地在其活动状态下工作；相反，开关器件在其导通状态与关断状态之间反复切换。开关电源转换器包括至少一个能量储存器件，如电感器或电容器。虽然开关电源转换器可以实现高效率，特别是在重载条件下，但其(多个)能量储存器件可能会导致它们对负载变化的响应缓慢。例如，降压开关电源转换器中的输出电感器可能限制了负载电流的变化速度，从而限制了电源转换器快速响应负载变化的能力。
开关电源转换器响应负载变化的能力被称为开关电源转换器的瞬态响应。具有良好瞬态响应的开关电源转换器对负载变化的响应很快，而具有较差瞬态响应的开关电源转换器对负载变化的响应较慢。许多应用都需要良好的瞬态响应，诸如帮助在动态负载条件期间保持电压调节。
附图说明
图1是开关电源转换器的示意图，其包括变压器代替分立电感器。
图2包括两个曲线图，展示了图1的开关电源转换器的操作的示例。
图3是根据实施例的通量校正开关电源转换器的示意图。
图4是图3的开关电源转换器的开关级的示意图。
图5是根据实施例的图3的通量校正开关电源转换器的替代实施例的示意图。
图6包括四个曲线图，展示了图3的开关电源转换器的操作的示例。
图7是图3的通量校正开关电源转换器的实施例的示意图，其中，通量校正电流源包括开关级。
图8包括三个曲线图并且图9包括两个曲线图，共同展示了图7的开关电源转换器的操作的示例。
图10是包括五个相的图7的通量校正开关电源转换器的实施例的示意图。
图11是图10的通量校正开关电源转换器的变压器的示意图。
图12是图10的通量校正开关电源转换器的另一个变压器的示意图。
图13包括五个曲线图并且图14包括两个曲线图，共同展示了图10的开关电源转换器的操作的示例。
具体实施方式
开关电源转换器的瞬态响应可以通过以下方式来改进：(a)用变压器代替分立电感器，以及(b)将变压器初级绕组串联电耦合。例如，图1是开关电源转换器100的示意图，其包括变压器102代替分立电感器。在本文档中，可以通过使用括号中的数字来指代项目的具体实例(例如，变压器102(1))，而没有括号的数字指代任何这样的项目(例如，变压器102)。开关电源转换器100进一步包括调谐电感器104、控制器106以及用于每个变压器102的相应开关级108。每个变压器102包括初级绕组110、次级绕组112和磁芯114，其中，磁芯被配置为磁耦合初级绕组110和次级绕组112。每个变压器102表现出磁化电感和漏电感。磁化电感由与次级绕组112并联电耦合的电感器116模拟，但应当理解，磁化电感不是由分立元件产生的，而是变压器的固有特性。为了说明清楚起见，图1中未示出漏电感。
初级绕组110与调谐电感器104串联电耦合。每个次级绕组112电耦合在相应的开关节点Vx与输出电源节点Vout之间。每个开关级108在其开关节点Vx处电耦合到相应的次级绕组112，并且每个开关级108还电耦合到输入电源节点Vin和地。控制器106生成控制信号(未示出)以控制开关级108，使得每个开关级108在节点Vin与地之间反复切换其相应的开关节点Vx。控制器106进一步生成控制信号，使得开关级108的开关相对于彼此异相。
图2包括曲线图200和202，展示了开关电源转换器200的操作的一个示例。曲线图200和202的水平轴表示时间，并且曲线图200和202的竖直轴表示幅值。曲线图200和202具有共同的时间基准。曲线图200包括分别表示流出变压器102(1)和102(2)的次级侧的相电流Ip(1)和Ip(2)的曲线，并且曲线图202包括分别表示变压器102(1)和102(2)的磁化电流Im(1)和Im(2)的曲线。
再次参考图1，使用变压器102代替分立电感器可以实现瞬态响应的显著改进。然而，由于流过变压器102的次级侧的直流(DC)幅值潜在较大，磁芯114必须能够处理较大的磁通量值。例如，图2将变压器102(1)和102(2)的相应磁化电流Im(1)和Im(2)展示为具有大的DC分量Idc，这表明较大的磁通量值分别流过磁芯114(1)和114(2)。因此，磁芯114需要很大以在不会饱和的情况下处理磁通量值。由于需要最小化开关电源转换器100的尺寸和成本，较大的磁芯114尺寸通常是不期望的。
本文披露了至少部分地克服了以上讨论的问题的通量校正开关电源转换器和相关联的方法。这些新型开关电源转换器包括通量校正电流源，该通量校正电流源通过变压器初级绕组注入电流，以至少部分地抵消由流过变压器次级绕组的电流生成的磁通量。因此，变压器铁芯中的净磁通量相对较小，或者在一些实施例中甚至基本上为零，这使得变压器铁芯的尺寸显著变小，同时仍能避免磁饱和，从而促进开关电源转换器的较小尺寸和成本。
图3是开关电源转换器300的示意图，其是新型通量校正开关电源转换器的一个实施例。通量校正开关电源转换器300包括多个变压器302、调谐电感器304、控制器306、用于每个变压器302的相应开关级308、以及通量校正电流源310。每个变压器302包括初级绕组312、次级绕组314和磁芯316，其中，磁芯被配置为磁耦合初级绕组312和次级绕组314。每个变压器302表现出磁化电感和漏电感。磁化电感由与次级绕组314并联电耦合的电感器318模拟，但应当理解，磁化电感不是由分立元件产生的，而是变压器的固有特性。为了说明清楚起见，图3中未示出变压器的漏电感。
相应开关级308在相应开关节点Vx处电耦合到每个变压器302的次级绕组314。每个次级绕组314还电耦合到电源节点318。因此，每个次级绕组314电耦合在电源节点318与相应的开关节点Vx之间。控制器306被配置为针对每个开关级308生成相应的一对控制信号Φ和Φ’。为了说明清楚起见，未示出控制器306与开关级308之间的连接。控制器306例如由模拟电气电路***和/或数字电子电路***形成。尽管控制器306被展示为分立元件，但控制器306可以与开关电源转换器300的一个或多个其他元件结合。另外，在不脱离本发明范围的情况下，控制器306可以包括设置在不同位置的多个子***。
每个开关级308电耦合到电源节点320和参考节点322、以及其相应的开关节点Vx。每个开关级308被配置为根据控制信号Φ和Φ’在电源节点320与参考节点322之间反复切换其相应的开关节点Vx。图4是开关级308实例的示意图。每个开关级308包括跨电源节点320和参考节点322串联电耦合的第一开关器件402和第二开关器件404。在每个开关级308中，第一开关器件402和第二开关器件404在开关级的相应开关节点Vx处接合。每个第一开关器件402由相应控制信号Φ控制，并且每个第二开关器件404由相应控制信号Φ’控制。在一些实施例中，当每个第一开关器件402的相应控制信号Φ被断言时，该第一开关器件在其导通状态下操作，并且当每个第一开关器件402的相应控制信号Φ被解除断言时，该第一开关器件在其关断状态下操作。类似地，在一些实施例中，当每个第二开关器件404的相应控制信号Φ被断言时，该第二开关器件在其导通状态下操作，并且当每个第二开关器件404的相应控制信号Φ被解除断言时，该第二开关器件在其关断状态下操作。每个第一开关器件402和每个第二开关器件404包括例如晶体管，诸如场效应晶体管(FET)或双极结型晶体管(BJT)。在一些实施例中，第一开关器件402或第二开关器件404被相应的二极管代替。
再次参考图3，在一些实施例中，电源节点320是输入电源节点并且电源节点318是输出电源节点，使得开关电源转换器300具有降压拓扑。在一些其他实施例中，电源节点320是输出电源节点并且电源节点318是输入电源节点，使得开关电源转换器300具有升压拓扑。然而，在不脱离本发明范围的情况下，开关电源转换器300可以被修改为具有不同的拓扑。例如，在一个替代实施例中，参考节点322替代地是输入电源节点，电源节点318替代地是参考电源节点，并且电源节点320是输出电源节点，使得开关电源转换器300具有降压-升压拓扑。
控制器306被配置为生成控制信号Φ和Φ’以控制开关级308的开关，使得开关级308的开关彼此异相。例如，在一些实施例中，控制器306生成控制信号Φ和Φ’以控制开关级308，使得开关级308的开关彼此异相180度。另外，如下文进一步讨论的，开关电源转换器300可以被修改为包括不同数量的变压器302和相应开关级308，并且在这样的替代实施例中，控制器306可选地被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得开关级308的开关具有不同的相位偏移。例如，在包括三个变压器302和三个相应开关级308的替代实施例中，控制器306被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得相邻开关级308相位偏移120度。作为另一示例，在包括四个变压器302和四个相应开关级308的替代实施例中，控制器306被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得相邻开关级308相位偏移90度。在一些实施例中，控制器306被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得相邻开关级308相位偏移
Figure BDA0003136479590000051
度，其中
Figure BDA0003136479590000052
等于360/N，并且N是开关电源转换器300中的相数。在本文档中，“相”是指开关级和相关联的磁性器件(变压器或电感器)。例如，开关级308(1)和变压器302(1)形成第一相，并且开关级308(2)和变压器302(2)形成第二相。
控制器306被配置为例如使用脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)或另一调制技术来生成控制信号Φ和Φ’。在某些实施例中，控制器306被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得它们彼此互补，在开关状态之间具有可选的任何控制信号都不被断言的死区时间。另外，在一些实施例中，控制器306被配置为以调节开关电源转换器300的一个或多个参数的方式来生成控制信号Φ和Φ’，这些参数诸如节点318、320或322之一处的电压或流进或流出这些节点之一的电流。
初级绕组312、调谐电感器304和通量校正电流源310串联电耦合以形成电路324。完成串联电路的节点326不必是专用节点。例如，在一些实施例中，节点326是参考节点322，并且参考节点322的接地平面连接调谐电感器304和通量校正电流源310。另外，调谐电感器304可以由多个电感器而不是单个电感器来实施，或者如果变压器302的漏电感足够大，则可以省略调谐电感器304。此外，电路324中元件的相对位置可以变化。例如，图5是开关电源转换器500的示意图，其是开关电源转换器300的替代实施例，其中，通量校正电流源310在电路324中位于变压器302(1)与302(2)之间，而不是位于变压器303(2)与调谐电感器304之间。
再次参考图3，通量校正电流源310被配置为将电流(如DC)注入初级绕组312以至少部分地抵消由流过次级绕组314的电流生成的磁芯316中的磁通量。因此，磁芯316中的净磁通量的幅值远低于通量校正电流源310不存在时的幅值，从而允许减小磁芯316的尺寸而没有磁饱和的危险。磁芯316尺寸的这种减小进而减小了变压器302的尺寸和成本。因此，在开关电源转换器300中包含通量校正电流源310有利地促进了开关电源转换器300的小尺寸和低成本。
通量校正电流源310由控制器306生成的控制信号Φc控制。在一些实施例中，如下面关于图7所讨论的，控制信号Φc包括用于驱动开关级308的控制信号Φ和Φ’。在一些其他实施例中，控制器306以使得校正电流源310至少基本上抵消磁芯316中的磁通量的方式生成专门用于通量校正电流源310的控制信号Φc。例如，在某些实施例中，控制器306监测一个或多个变压器铁芯316中的磁通量，并且控制器306包括闭环控制***，该闭环控制***将监测的磁通量与参考值进行比较以生成误差信号。然后，控制器306以最小化该误差信号的方式生成信号Φc，从而最小化磁芯316的净磁通量。在一些实施例中，控制器306被配置为使用一个或多个磁通量传感器直接监测一个或多个变压器铁芯316中的磁通量。在一些其他实施例中，控制器306被配置为根据与磁通量幅值相关的一个或多个参数(诸如绕组电压与时间的乘积(伏特-秒)、或流过变压器302绕组的DC电流的幅值)来间接确定一个或多个变压器铁芯316中的磁通量幅值。
图6包括曲线图602、604、606和608，共同展示了开关电源转换器300的操作的一个示例。每个曲线图的水平轴表示时间，并且每个曲线图的竖直轴表示幅值。图6的所有曲线图具有共同的时间基准。曲线图602包括表示控制信号Φ(1)的曲线，并且曲线图604包括表示控制信号Φ(2)的曲线。虽然图6展示了当处于逻辑高状态时控制信号Φ(1)和Φ(2)被断言，但在不脱离本发明范围的情况下，控制信号Φ(1)和Φ(2)可以具有不同的极性。从曲线图602和604可以明显看出，控制信号Φ(1)和Φ(2)相对于彼此异相地被断言。控制信号Φ’(1)和Φ’(2)未在图6中示出，但在一些实施例中，除了可选的开关状态之间的用于防止击穿(shoot-through)的死区时间之外，控制信号Φ’(1)和Φ’(2)分别与控制信号Φ(1)和Φ(2)互补。
曲线图606包括分别表示流出变压器302(1)和302(2)的次级侧的相电流Ip(1)和Ip(2)的曲线，并且曲线图608包括分别表示变压器302(1)和302(2)的磁化电流Im(1)和Im(2)的曲线。当比较曲线图608和图2的曲线图202时可以理解，通量校正电流源310显著降低了变压器302(1)和302(2)的相应磁化电流Im(1)和Im(2)的DC分量Idc，这表明磁芯114(1)和114(2)中的净磁通量相对较小，从而使得磁芯316相对较小。
图7是新型通量校正开关电源转换器700的示意图，其是通量校正开关电源转换器300的实施例，其中，通量校正电流源310由包括开关级308实例(即，开关级308(3))的通量校正电流源710体现。开关级308(3)具有与开关级308(1)和308(2)中的每一个相同的配置，但开关级308(3)在本文中有时被称为补偿开关级308(3)。补偿开关级308(3)与初级绕组312和调谐电感器304串联电耦合。另外，补偿开关级308(3)电耦合到电源节点320和参考节点322。应当理解，虽然通量校正开关电源转换器700包括三个相(开关级308(3)和电路324的电感共同形成第三相)，但开关电源转换器有利地仅需要两个变压器302，从而促进开关电源转换器的小尺寸和低成本。
除了控制信号Φ(1)、Φ’(1)、Φ(2)和Φ’(2)之外，控制器706进一步被配置为生成控制信号Φ(3)和Φ’(3)。控制信号Φ(3)和Φ’(3)类似于控制信号Φ(1)、Φ’(1)、Φ(2)和Φ’(2)，但控制器706被配置为生成控制信号Φ(3)和Φ’(3)，使得开关级308(3)的开关与开关级308(1)和308(2)中的每一个异相。因此，开关电源转换器300有利地使得共同的控制方案能够用于(a)包括变压器302的相以及(b)包括通量校正电流源710的相。在一些实施例中，控制器706被配置为生成控制信号Φ(1)、Φ’(1)、Φ(2)、Φ’(2)、Φ(3)和Φ’(3)，使得相邻开关级308相位偏移120度。
图8包括曲线图802-806并且图9包括曲线图902和904，共同展示了图7的开关电源转换器的操作的示例。每个曲线图的水平轴表示时间，并且每个曲线图的竖直轴表示幅值。图8和图9的所有曲线图具有共同的时间基准。曲线图802包括表示控制信号Φ(1)的曲线，曲线图804包括表示控制信号Φ(2)的曲线，并且曲线图806包括表示控制信号Φ(3)的曲线。虽然图8展示了当处于逻辑高状态时控制信号Φ(1)、Φ(2)和Φ(3)被断言，但在不脱离本发明范围的情况下，控制信号Φ(1)、Φ(2)和Φ(3)可以具有不同的极性。从曲线图802-806可以明显看出，控制信号Φ(1)、Φ(2)和Φ(3)相对于彼此异相地被断言。控制信号Φ’(1)、Φ’(2)和Φ’(3)未在图8中示出，但在一些实施例中，除了可选的开关状态之间的用于防止击穿的死区时间之外，控制信号Φ’(1)、Φ’(2)和Φ’(3)分别与控制信号Φ(1)、Φ(2)和Φ(3)互补。
曲线图902包括分别表示流出变压器302(1)和302(2)的次级侧的相电流Ip(1)和Ip(2)的曲线，并且曲线图904包括表示流过变压器初级绕组312的相电流Ip(3)的曲线。图9进一步包括连接曲线图902和904的竖直虚线，以帮助观察者比较这两个曲线图。每条竖直虚线表示每个曲线图902和904中的共同时间。从曲线图902和904可以明显看出，所有相电流Ip(1)至Ip(3)都具有大致相似的形状和幅值，但是相对于彼此相移。
如上所述，通量校正开关电源转换器中的变压器和相关联开关级的数量可以变化，只要每个开关电源转换器包括至少一个变压器即可。例如，图10是通量校正开关电源转换器1000的示意图，其是图7的通量校正开关电源转换器的实施例，包括四个变压器308并且具有五个相。为了说明清楚起见，未示出控制器706、以及变压器302的细节。然而，变压器302(1)和302(2)具有与图7中的相同的配置，并且图11和图12分别是变压器302(3)和302(4)的示意图。在一个实施例中，控制器706被配置为生成控制信号Φ和Φ’，使得开关级308(1)-308(5)的开关彼此异相，例如相邻开关级308相位偏移72度。
图13包括曲线图1302-1310并且图14包括曲线图1402和1404，共同展示了图10的开关电源转换器的操作的示例。每个曲线图的水平轴表示时间，并且每个曲线图的竖直轴表示幅值。图13和图14的所有曲线图具有共同的时间基准。曲线图1302包括表示控制信号Φ(1)的曲线，曲线图1304包括表示控制信号Φ(2)的曲线，曲线图1306包括表示控制信号Φ(3)的曲线，曲线图1308包括表示控制信号Φ(4)的曲线，并且曲线图1310包括表示控制信号Φ(5)的曲线。虽然图13展示了当处于逻辑高状态时控制信号Φ(1)、Φ(2)、Φ(3)、Φ(4)和Φ(5)被断言，但在不脱离本发明范围的情况下，控制信号Φ(1)、Φ(2)、Φ(3)、Φ(4)和Φ(5)可以具有不同的极性。从曲线图1302-1310可以明显看出，控制信号Φ(1)、Φ(2)、Φ(3)、Φ(4)和Φ(5)相对于彼此异相地被断言。控制信号Φ’(1)、Φ’(2)、Φ’(3)、Φ’(4)和Φ’(5)未在图13中示出，但在一些实施例中，除了可选的开关状态之间的用于防止击穿的死区时间之外，控制信号Φ’(1)、Φ’(2)、Φ’(3)、Φ’(4)和Φ’(5)分别与控制信号Φ(1)、Φ(2)、Φ(3)、Φ(4)和Φ(5)互补。
曲线图1402包括分别表示流出变压器302(1)至302(4)的次级侧的相电流Ip(1)、Ip(2)、Iph(3)和Iph(4)的曲线，并且曲线图1404包括表示流过变压器初级绕组312的相电流Ip(5)的曲线。图14进一步包括连接曲线图1402和1404的竖直虚线，以帮助观察者比较这两个曲线图。每条竖直虚线表示每个曲线图1402和1404中的共同时间。从曲线图1402和1404可以明显看出，所有相电流Ip(1)至Ip(5)都具有大致相似的形状和幅值，但是相对于彼此相移。
在不脱离本文范围的情况下，可以对上述开关电源转换器和相关联的方法进行改变。因此，应注意的是，包含在以上说明书中并且在附图中示出的主题应当被解释为说明性的而非限制性意义。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和特定特征，以及本方法和***范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。

Claims (20)

1.一种通量校正开关电源转换器，包括：
第一变压器，该第一变压器包括第一磁芯、第一初级绕组和第一次级绕组；
第一开关级，该第一开关级电耦合到该第一次级绕组；
补偿开关级，该补偿开关级电耦合到该第一初级绕组；以及
控制器，该控制器通过至少该第一开关级的开关来控制作为通量校正电流源的该补偿开关级。
2.如权利要求1所述的通量校正开关电源转换器，其中，该控制器被配置为控制该补偿开关级的开关，使得该补偿开关级相对于该第一开关级异相。
3.如权利要求1所述的通量校正开关电源转换器，进一步包括调谐电感器，该调谐电感器电耦合到该第一初级绕组。
4.如权利要求1所述的通量校正开关电源转换器，进一步包括：
第二变压器，该第二变压器包括第二磁芯、第二初级绕组和第二次级绕组；以及
第二开关级，该第二开关级电耦合到该第二次级绕组；
其中，该第一初级绕组和该第二初级绕组串联电耦合。
5.如权利要求4所述的通量校正开关电源转换器，其中，该控制器被配置为控制该第二开关级的开关，使得该第二开关级相对于该第一开关级和该补偿开关级异相。
6.如权利要求5所述的通量校正开关电源转换器，其中：
该第一次级绕组电耦合在该第一开关级与第一电源节点之间；并且
该第二次级绕组电耦合在该第二开关级与该第一电源节点之间。
7.如权利要求6所述的通量校正开关电源转换器，其中，该第一电源节点是输出电源节点。
8.如权利要求6所述的通量校正开关电源转换器，其中，该第一电源节点是输入电源节点。
9.如权利要求6所述的通量校正开关电源转换器，进一步包括：
第三变压器，该第三变压器包括第三磁芯、第三初级绕组和第三次级绕组；以及
第三开关级，该第三开关级电耦合到该第三次级绕组；
其中，该第一初级绕组、该第二初级绕组和该第三初级绕组串联电耦合。
10.如权利要求9所述的通量校正开关电源转换器，其中，该控制器被配置为控制该第三开关级的开关，使得该第三开关级相对于该第一开关级、该第二开关级和该补偿开关级中的每一个异相。
11.如权利要求10所述的通量校正开关电源转换器，进一步包括：
第四变压器，该第四变压器包括第四磁芯、第四初级绕组和第四次级绕组；以及
第四开关级，该第四开关级电耦合到该第四次级绕组；
其中，该第一初级绕组、该第二初级绕组、该第三初级绕组和该第四初级绕组串联电耦合。
12.如权利要求11所述的通量校正开关电源转换器，其中，该控制器进一步被配置为控制该第四开关级的开关，使得该第四开关级相对于该第一开关级、该第二开关级、该第三开关级和该补偿开关级中的每一个异相。
13.一种通量校正开关电源转换器，包括：
多个变压器，这些变压器中的每个变压器包括初级绕组和次级绕组；每个初级绕组和次级绕组与相应的开关级电耦合，
以及
控制器，该控制器控制每个开关级的开关。
14.如权利要求13所述的通量校正开关电源转换器，其中，该控制器进一步被配置为控制每个开关级的开关，使得每个开关级相对于每个其他的开关级异相。
15.如权利要求14所述的通量校正开关电源转换器，进一步包括调谐电感器，该调谐电感器与该多个变压器的初级绕组串联电耦合。
16.如权利要求15所述的通量校正开关电源转换器，其中，每个次级绕组电耦合在其相应的开关级与电源节点之间。
17.如权利要求16所述的通量校正开关电源转换器，其中，该多个变压器之一的初级绕组电耦合到该电源节点。
18.如权利要求17所述的通量校正开关电源转换器，其中，该初级绕组在该电源节点与参考节点之间串联电耦合。
19.如权利要求18所述的通量校正开关电源转换器，其中，该电源节点是该通量校正开关电源转换器的输出电源节点。
20.如权利要求19所述的通量校正开关电源转换器，其中，该电源节点是该通量校正开关电源转换器的输入电源节点。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104981971A (zh) * 2013-02-28 2015-10-14 瑞典爱立信有限公司 正反激拓扑的开关模式电源
CN105099205A (zh) * 2015-08-12 2015-11-25 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 开关电源、反激式变换器及变压器
CN105680703A (zh) * 2016-03-16 2016-06-15 北京工业大学 一种海洋可控电磁发射装置及其控制方法
CN105993123A (zh) * 2013-10-02 2016-10-05 德克萨斯仪器股份有限公司 具有宽输入和输出动态范围的交错正向转换器
US20170155332A1 (en) * 2015-12-01 2017-06-01 Astec International Limited Modifiable dc-dc power converters for providing different output voltages
CN108880259A (zh) * 2017-05-15 2018-11-23 意法半导体股份有限公司 用于转换器的次级侧电流模式控制
CN109768707A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 国际商业机器公司 一种耦合电感直流-直流电源转换器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5173846A (en) * 1991-03-13 1992-12-22 Astec International Ltd. Zero voltage switching power converter
US5206800A (en) * 1991-03-13 1993-04-27 Astec International, Ltd. Zero voltage switching power converter with secondary side regulation
EP1278295A3 (en) 1995-01-17 2004-12-29 VLT, Inc. Control of stored magnetic energy in power converter transformers
TWI331433B (en) 2007-02-16 2010-10-01 Delta Electronics Inc Power converter having flux bias regulation method
GB2486509B (en) * 2011-03-22 2013-01-09 Enecsys Ltd Solar photovoltaic power conditioning units
US8929103B2 (en) * 2011-03-23 2015-01-06 Pai Capital Llc Integrated magnetics with isolated drive circuit
US9584027B2 (en) * 2015-04-10 2017-02-28 Power Integrations, Inc. Power converter with winding communication
US10297379B2 (en) * 2016-03-11 2019-05-21 Maxim Integrated Products, Inc. Integrated transformers and coupled inductors and associated systems and methods
US10284099B2 (en) * 2016-06-07 2019-05-07 Linear Technology Corporation Hybrid power converters combining switched-capacitor and transformer-based stages

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104981971A (zh) * 2013-02-28 2015-10-14 瑞典爱立信有限公司 正反激拓扑的开关模式电源
CN105993123A (zh) * 2013-10-02 2016-10-05 德克萨斯仪器股份有限公司 具有宽输入和输出动态范围的交错正向转换器
CN105099205A (zh) * 2015-08-12 2015-11-25 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 开关电源、反激式变换器及变压器
US20170155332A1 (en) * 2015-12-01 2017-06-01 Astec International Limited Modifiable dc-dc power converters for providing different output voltages
CN106817029A (zh) * 2015-12-01 2017-06-09 雅达电子国际有限公司 用于提供不同输出电压的可更改的dc‑dc功率变换器
CN105680703A (zh) * 2016-03-16 2016-06-15 北京工业大学 一种海洋可控电磁发射装置及其控制方法
CN108880259A (zh) * 2017-05-15 2018-11-23 意法半导体股份有限公司 用于转换器的次级侧电流模式控制
CN109768707A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 国际商业机器公司 一种耦合电感直流-直流电源转换器

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