具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图3为本发明第一种实施例的功率变换器的电路图。如图3所示，功率变换器包括第一功率级电路1以及第二功率级电路2，其中第二功率级电路2的第一端耦接至相邻的第一功率级电路1。在本实施例中，第二功率级电路2的第一端连接至第一功率级电路1的第一节点a，第一功率级电路1和第二功率级电路2的第二端连接在一起。在此以功率变换器的第一端为输入端，第二端为输出端为例进行说明。具体地，第一功率级电路1的第一端为功率变换器的第一端i，在此作为功率变换器的输入端接收输入电压Vin，第一功率级电路1和第二功率级电路2的第二端并联作为功率变换器的第二端o，在此为功率变换器的输出端以产生输出电压Vout。

具体地，第一功率级电路1包括功率管Q1(即第一功率级电路1的主功率管)，连接在第一端i和第一节点a之间；第一储能元件，在此为电容Cf，与相邻的功率级电路共同耦接(即第二功率级电路2)于第一节点a，并被配置为经由第二功率级电路2放电；以及辅助模块11，被配置为使得流过第一功率级电路1中第一磁性元件的电流在电流断续模式下不小于零。其中第一磁性元件在此为电感Lo1，耦接在辅助模块11和第一功率级电路1的第二端之间。

具体地，第一功率级电路1中的辅助模块11连接在电容Cf的第二端和电感Lo1的第一端之间。该辅助模块11被配置为在第一工作阶段使得电感Lo1的电流经辅助模块11流向输出端o，在第二工作阶段为电容Cf提供放电回路以避免电感Lo1的电流反向。

在本实施例中，辅助模块11包括第一功率管Qa，连接在电容Cf的第二端和参考地之间，以及第二功率管Qb，连接在电容Cf的第二端和电感Lo1的第一端之间。应理解，在本实施例的第一工作阶段中，输入电压Vin经第二功率管Qb给电容Cf和电感Lo1储能，在第二工作阶段中，电容Cf经第二功率级电路2和第一功率管Qa向输出端放电。

此外，第一功率级电路1还包括功率管Qsr1作为整流管，连接在电感Lo1的第一端和参考地之间，以为第一功率级电路提供续流回路。在本实施例中，第一功率管Qa的存在为电容Cf提供了放电回路，从而无需向现有技术中经由整流管Qsr1放电。

第二功率级电路2包括一开关型功率级电路，在此为buck功率级电路。第二功率级电路2具体包括串联连接在第二功率级电路2的第一端和参考地之间的功率管Q2作为主功率管和功率管Qsr2作为整流管，以及第二磁性元件，在此为电感Lo2，连接在主功率管Q2和整流管Qsr2的中间节点和输出端o之间。在一些实施例中，第一磁性元件和第二磁性元件可以相互耦合。

应理解，由于功率变换器的第一端i为输入端，第二端o为输出端，因此电容Cf在第二功率管Qb导通的阶段(即第一工作阶段)储能，并在第一功率管Qa导通的阶段(即第二工作阶段)作为第二功率级电路2的输入源经由第二功率级电路2和第一功率管Qa向输出端o释放能量。

从原理上来看，第一功率管Qa替代了图1中整流管Qsr1的部分功能，因此第一功率管Qa的最大导通时间为与第一功率级电路1的第一端相连的主功率管Q1的关断时间，也即第一功率管Qa可与主功率管Q1互补导通。同时，第二功率管Qb的最大导通时间为第一功率管Qa的关断时间，即第二功率管Qb与第一功率管Qa互补导通。

优选地，第一功率管Qa的导通区间至少和与下一相邻的功率级电路(即第二功率级电路2)的第一端相连的主功率管Q2的导通区间重叠，即在主功率管Q2处于导通状态时，第一功率管Qa也处于导通状态，且第一功率管Qa的导通时间大于等于主功率管Q2的导通时间。第二功率管Qb的导通区间至少和与当前功率级电路的第一端相连的主功率管Q1的导通区间重叠。即在主功率管Q1处于导通状态时，第二功率管Qb也处于导通状态，且第二功率管Qb的导通时间大于等于主功率管Q1的导通时间。

当占空比小于0.5时，第一功率管Qa的导通时间小于其最大导通时间，而是与功率管Q2的开关状态相同即可，如此便能满足在功率管Q2导通的时候，为电容Cf经由第二功率级电路放电提供通路以避免电感电流反向。第二功率管Qb的导通时间也小于其最大导通时间，而是与功率管Q1的开关状态相同，如此便能满足在功率管Q1导通的时候提供输入电压Vin为电容Cf和电感Lo1储能的通路，使得电感Lo1的电流经辅助模块11流向功率变换器的输出端o。应理解，上述优选实施例为功率管Qa和Qb的最小导通时间，其他介于最小导通时间和最大导通时间之间的开关状态均可以实现辅助模块的功能，因此均在本发明的保护范围之内。

图4给出了本发明第一种实施例的功率变换器的第一种工作波形图，图5给出了本发明第一种实施例的功率变换器的第二种工作波形图，均以占空比小于0.5为例。图4为功率变换器工作于电流连续模式的各驱动信号以及电感电流波形。图5功率变换器工作于电流断续模式下的各驱动信号以及电感电流波形。从图4和图5中可以看出，第一功率级电路1中主功率管Q1的驱动信号G1与第二功率管Qb的驱动信号Gb相同，第二功率级电路中主功率管Q2的驱动信号G2与第一功率级电路1中第一功率管Qa的驱动信号Ga相同。在电流连续模式下，第一功率级电路1中整流管Qsr1的驱动信号Gsr1与主功率管Q1的驱动信号G1互补，第二功率级电路2中整流管Qsr2的驱动信号Gsr2与主功率管Q2的驱动信号G2互补。而在电流断续模式下，第一功率级电路1中整流管Qsr1在主功率管Q1关断时开通，并在流过电感Lo1的电流iLo1过零时关断，同时第二功率级电路2中整流管Qsr2在主功率管Q2关断时开通，并在流过电感Lo2的电流iLo2过零时关断。此外，在本实施例中，整流管Qsr1和Qsr2为同步整流功率管，本领域普通技术人员应理解，整流管Qsr1和Qsr2可以替换为整流二极管，不影响变换器的工作。

此外，在本实施例中，第一功率级电路1中的主功率管Q1和第二功率级电路2中的主功率管Q2的导通时间相同，且两者开通时刻之间具有一定的相位差，优选地，相位差为180°(即图上时间差Ts/2)。功率变换器中的控制电路可以通过改变第一和第二功率级电路中主功率管的占空比D来调节输出电压Vout的大小，以产生期望的输出电压。

应理解，通过改变占空比调节输出电压的控制方式有很多种，例如，控制电路可以在固定开关频率下，通过调节第一和第二功率级电路中主功率管的导通时间来调节输出电压Vout。当然，控制电路也可保持各功率级电路中功率管的导通时间不变，通过调节功率变换器的开关频率来调节输出电压Vout。此外，其他现有技术中控制功率变换器的控制方法也可以适用于本实施例中，在此不作限制。

下面具体阐述本发明实施例的第一种功率变换器的工作原理。当功率变换器工作于电流连续模式且占空比小于0.5时，如图4所示，t0-t1阶段，主功率管Q1和第二功率管Qb导通，输入电压Vin给电容Cf和电感Lo1储能，并向输出端o提供能量，从而电感Lo1的电流iLo1上升；同时，整流管Gsr2导通，使得流过电感Lo2的电流iLo2经整流管Qsr2续流而下降。在t1-t2阶段，主功率管Q1和第二功率管Qb关断，整流管Gsr1开通，同时整流管Gsr2保持导通，电流iLo1和iLo2均下降。在t2-t3阶段，主功率管Q2和第一功率管Qa导通，整流管Gsr1保持导通，整流管Gsr2关断。电容Cf经第二功率级电路2和第一功率管Qa放电以向输出端提供能量，其中电容Cf两端的电压Vcf即作为第二功率级电路2的输入源，从而流过电感Lo2的电流iLo2上升；同时，电流iLo1经整流管Qsr1续流而下降。在t3-t4阶段，整流管Gsr1保持导通，同时整流管Gsr2保持导通，电流iLo1和iLo2均下降。由于两个功率级电路错相导通，因此减小了输出端的电流纹波。在本实施例中，Vo/Vin＝D/2，因此可以实现更高的电压变换比。

当功率变换器工作于电流断续模式时，如图5所示，在t0-t1阶段，主功率管Q1和第二功率管Qb导通，输入电压Vin给电容Cf和电感Lo1储能并向输出端提供能量，从而流过电感Lo1的电流iLo1上升；在t1时刻之后，主功率管Q1和第二功率管Qb关断、整流管Qsr1导通，电流iLo1经整流管Qsr1续流而下降；在t2时刻，电流iLo1下降到零，整流管Qsr1关断。在t2-t3阶段，电路中功率器件均为关断状态，电路中没有电流流过。在t3-t4阶段，主功率管Q2和第一功率管Qa导通，电容Cf两端的电压Vcf作为第二功率级电路2的输入源经第二功率级电路2和第一功率管Qa向输出端提供能量，从而流过电感Lo2的电流iLo2上升；在t4时刻之后，主功率管Q2关断、整流管Qsr2导通，电流iLo2经整流管Qsr2续流而下降，在t5时刻，电流iLo2下降到零时，整流管Qsr2关断。在t5-t6时刻，电路中功率器件均为关断状态。

从图5中可以看出，当整流管Qsr1和Qsr2在各自功率级电路中电感电流到零关断之后即保持关断状态，而辅助模块中的第一功率管Qa替代原整流管Qsr1形成额外的电容Cf的放电回路，从而整流管Qsr1无需再次开通。因此，第一功率级电路1中的电流不会出现负电流的情况，从而保证了变换器的效率。此外，电容Cf上的电压Vcf由于两路电感电流对称而始终等于1/2Vin，避免了电容Cf上的电压偏移，保证了变换器的可靠性。

图6给出了本发明第二种实施例的功率变换器的电路图。如图6所示，在本实施例中，功率变换器的结构与上述相同，不同的是，在此以功率变换器的第一端i为输出端，第二端o为输入端为例进行说明，第一功率级电路1和第二功率级电路2的第二端并联作为功率变换器的输入端o以接收输入电压Vin，在第一功率级电路1的第一端作为功率变换器的输出端i产生输出电压Vout。其他具体电路连接结构与上述第一实施例相同，在此不再阐述。

不同的是，在本实施例中，第二功率级电路2构成了boost功率级电路。功率管Qsr1和Qsr2作为主功率管，以相同的导通时间交错导通，功率管Q1和功率管Q2作为整流管，当功率变换器工作于电流连续模式时整流管Q1和Q2分别与主功率管Qsr1和Qsr2互补导通；当功率变换器工作于电流断续模式时，整流管Q1和Q2分别在主功率管Qsr1和Qsr2关断时导通，并分别在电流iLo1和iLo2过零时关断。应理解，在本实施例中，整流管采用同步整流功率管，其也可以采用整流二极管。

第一功率管Qa和第二功率管Qb的驱动信号与第一种实施例相同，第一功率管Qa的最大导通时间为与当前功率级电路的第一端相连的整流管Q1的关断时间，第二功率管Qb的最大导通时间为第一功率管Qa的关断时间。而优选地，只需要保证第一功率管Qa在与下一相邻的功率级电路的第一端相连的整流管Q2的导通期间也处于导通状态，第二功率管Qb在与当前功率级电路的第一端相连的整流管Q1的导通期间也处于导通状态即可。

此外，电容Cf在第一功率管Qa导通的阶段(即第二工作阶段)经由第二功率级电路2充电，即第一功率管Qa此时为电容Cf提供充电回路，此时电容Cf两端的电压即为第二功率级电路2的输出电压。同时电容Cf在第二功率管Qb导通的阶段(即第一工作阶段)放电，与输入电压Vin一起向输出端o供电，以使得电感Lo1的电流经辅助模块流向功率变换器的输出端i。

图7给出了本发明第三种实施例的功率变换器的电路图。如图6所示，以功率变换器包括第一功率级电路1至3和一个第二功率级电路4为例进行说明，从而本领域普通技术人员可以很容易扩展到更多个第一功率级电路和一个第二功率级电路的应用情况。

如图7所示，第一个第一功率级电路1的第一端与功率变换器的第一端i相连，其他每个功率级电路的第一端分别耦接至上一相邻的功率级电路的第一节点，具体地，第二个第一功率级电路2的第一端连接至第一个第一功率级电路1的第一节点a1，第三个第二功率级电路3的第一端连接至第二个第一功率级电路2的第一节点a2，第二功率级电路4的第一端连接至相邻的第一功率级电路(最后一个功率级电路)的第一节点，也即第三个第一功率级电路3的第一节点a3，且每个第一和第二功率级电路的第二端并联作为功率变换器的第二端o。在此以功率变换器的第一端i为输入端，接收输入电压Vin，第二端o为输出端，产生输出电压Vout为例进行说明。应理解，第一端i为输出端，第二端o为输入端的情况也在本发明保护范围之内。

具体地，第一功率级电路1包括功率管Q1，在此为主功率管，连接在第一端i和第一节点a1之间；第一储能元件，在此为电容C1，被配置为与一相邻的功率级电路(第一功率级电路2)耦接于第一节点a1，并经由所述相邻的功率级电路放电；以及辅助模块11，被配置为使得流过第一功率级电路1中第一磁性元件的电流在电流断续模式下不小于零。其中第一磁性元件在此为电感Lo1，耦接在辅助模块11和第一功率级电路1的第二端o之间。应理解，在第一端i为输出端，第二端o为输入端的情形下，电容C1经由相邻的功率级电路充电。

具体地，第一功率级电路1中的辅助模块11连接在电容C1的第二端和电感Lo1的第一端之间。该辅助模块11被配置为在第一工作阶段允许输入电压Vin给电感Lo1储能，从而使得电感电流经辅助模块11流向输出端o，在第二工作阶段为电容C1提供放电回路以避免电感Lo1的电流反向。

在本实施例中，辅助模块11包括第一功率管Qa1，连接在电容C1的第二端和参考地之间，以及第二功率管Qb1，连接在电容C1的第二端和电感Lo1的第一端之间。此外，第一功率级电路1还包括功率管Qsr1(在此为整流管)，连接在电感Lo1的第一端和参考地之间，以为第一功率级电路1提供续流回路。

第一功率级电路j(其中j＝2、3)包括功率管Qj作为每个第一功率级电路j的主功率管，连接在当前第一功率级电路j的第一端，也即上一个相邻功率级电路(j-1)的第一节点a(j-1)，和当前第一功率级电路j的第一节点aj之间；第一储能元件，在此为电容Cj，被配置为与下一相邻的功率级电路(j+1)共同耦接于第一节点aj，并经由所述相邻的功率级电路(j+1)放电；以及辅助模块jj，被配置为使得流过第一功率级电路j中第一磁性元件的电流在电流断续模式下不小于零。其中第一磁性元件在此为电感Loj，耦接在辅助模块jj和第二端o之间。应理解，在第一端i为输出端，第二端o为输入端的情形下，电容Cj经由相邻的功率级电路充电。

具体地，第一功率级电路j中的辅助模块jj，连接在电容Cj的第二端和电感Loj的第一端之间。辅助模块jj被配置为在第一工作阶段允许输入电压Vin给电容Cf和电感Lo1充电，使得电感Loj的电流经辅助模块jj流向输出端o，在第二工作阶段为电容Cj提供放电回路以避免电感Loj的电流反向。

在本实施例中，辅助模块jj包括第一功率管Qaj，连接在电容Cj的第二端和参考地之间，以及第二功率管Qbj，连接在电容Cj的第二端和电感Loj的第一端之间。此外，第一功率级电路j还包括功率管Qsrj作为整流管，连接在电感Loj的第一端和参考地之间，以为第一功率级电路j提供续流回路。

第二功率级电路4包括串联连接在第二功率级电路4的第一端和参考地之间的功率管Q4(作为主功率管)和功率管Qsr4(作为整流管)，以及第二磁性元件，在此为电感Lo4。

在一些实施例中，第一磁性元件之间和/或第一磁性元件和第二磁性元件之间可以相互耦合。

图8给出了本发明第三种实施例的功率变换器的第一种工作波形图。在此仅以占空比小于0.5时的电流断续模式为例进行说明，其他情况可以参照第一实施例的功率变换器。从图中可以看出，第一功率级电路m(m＝1、2、3)中第二功率管Qbm的驱动信号Gbm和与当前功率级电路m的第一端相连的功率管Qm的驱动信号Gm相同，同时第一功率管Qam的驱动信号Gam和与下一相邻的功率级电路(m+1)的第一端相连的功率管Qm+1的驱动信号Gm+1相同。当功率级电路m中的主功率管Qm导通，由于第二功率管Qbm也导通，电容Cm被充电，同时流过电感Lom的电流经辅助模块11流向输出端o，同时iLom上升。电容Cm在下一相邻功率级电路(m+1)中功率管Q(m+1)和第一功率管Qam导通时放电。

应理解，在此仅给出其中一个实施例，第一功率管Qa和第二功率管Qb的驱动信号的设置与第一实施例中相同，因此在第一实施例中阐述的其他情况均可以应用于此，在此不作赘述。

在电流连续模式下，第一功率级电路m中整流管Qsrm的驱动信号Gsrm与主功率管Qm的驱动信号Gm互补，第二功率级电路4中整流管Qsr4的驱动信号Gsr4与主功率管Q4的驱动信号G4互补。而在电流断续模式下，第一功率级电路m中整流管Qsrm在主功率管Qm关断时开通，并在流过电感Lom的电流iLom过零时关断，同时第二功率级电路4中整流管Qsr4在主功率管Q4关断时开通，并在流过电感Lo4的电流iLo4过零时关断。

在本实施例中，整流管Qsrm和Qsr4均为同步整流功率管，本领域普通技术人员应理解，整流管Qsrm和Qsr4可以替换为整流二极管，不影响变换器的工作。

此外，在本实施例中，第一功率级电路m中的主功率管Qm和第二功率级电路4中的主功率管Q4的导通时间相同，且每个功率管开通时刻之间具有一定的相位差，优选地，相位差为360°/(m+1)(即90°，图上时间差Ts/4)。从而各级电路的电感电流交错，减小了电流纹波。如图所示，本发明实现了各级功率级电路中电感电流在电流断续模式均不小于零，同时保证了功率变换器的可靠运行。具体工作原理与上述第一实施例相似，在此不作阐述。

同时，功率变换器中的控制电路可以通过调节第一和第二功率级电路中主功率管的占空比D来调节输出电压Vout的大小，以产生期望的输出电压。应理解，控制电路可以在固定开关频率下，通过调节第一和第二第二功率级电路中主功率管的导通时间来调节输出电压Vout。当然，控制电路也可保持各功率级电路中主功率管的导通时间不变，通过调节功率变换器的开关频率来调节输出电压Vout。此外，其他现有技术中控制功率变换器的控制方法也可以适用于本实施例中。

图9给出了本发明第三种实施例的功率变换器的第二种工作波形图。除了采用上述各级交错移相的控制方式，还可以采用第二种控制方式。当所述第一和第二功率级电路的总数为N时，其中包括N-1个第一功率级电路和一个第二功率级电路，第(2j-1)个(即序数为奇数)功率级电路中主功率管的驱动信号相同(记为第一驱动信号)，第2j个(即序数为偶数)功率级电路中主功率管的驱动信号相同(记为第二驱动信号)，则第一和第二驱动信号之间具有180°的相位差。其中j和N均为正整数，且N≥2，j≤(N+1)/2。如图所示，以N为4为例进行说明，在本实施例中，第一个功率级电路中的主功率管的驱动信号(即功率管Q1的驱动信号G1)与第三个功率级电路中的主功率管的驱动信号(即功率管Q3的驱动信号G3)相同，第二个功率级电路中主功率管的驱动信号(即功率管Q2的驱动信号G2)与第四个功率级电路中主功率管的驱动信号(即功率管Q4的驱动信号G4)相同，同时驱动信号G1和驱动信号G2之间具有180°的相位差(即时间差Ts/2)。此外，第一功率级电路m(m＝1、2、3)中第二功率管Qbm的驱动信号Gbm和与当前功率级电路m的第一端相连的功率管Qm的驱动信号Gm相同，同时第一功率管Qam的驱动信号Gam和与下一相邻的功率级电路(m+1)的第一端相连的功率管Qm+1的驱动信号Gm+1相同。第一功率管和第二功率管的开关状态仍与上述第一实施例中相同。由此可以推广至包括N个功率级电路的功率变换器。

在该控制方式下，奇数功率级电路中的电感电流均相同，偶数功率级电路中的电感电流均相同，如图，电流iLo1与iLo3相同，电流iLo2与iLo4相同，且分别交错180°。同样，在该控制方式下，功率变换器中的控制电路可以通过调节第一和第二功率级电路中主功率管的占空比D来调节输出电压Vout的大小，以产生期望的输出电压。调节占空比D的方式与上述相同，在此不再阐述。

同样，本发明实现了各级功率级电路中电感电流在电流断续模式均不小于零，使得功率变换器在轻载下也能够正常工作，同时保证了功率变换器的可靠运行。

应理解，当其他功率变换器中存在如下架构：第一端经一功率管与一储能元件相连，同时该储能元件耦接至一磁性元件的第一端，且该磁性元件的第一端经过一功率管与参考地相连时，均可以参照本实施例，在储能元件的第二端和磁性元件的第一端之间加入本发明实施例中的辅助模块，以避免电流断续模式下的负电流。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。