电源系统控制方法和电源系统

摘要

本申请涉及一种电源系统控制方法和电源系统，电源系统包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，第一级变换器和第二级变换器之间设置有母线电容，第二级变换器包括多个并联的子模块，其中，第一级变换器以第一周期运行，第二级变换器以第二周期运行；每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块；每间隔第二时长，输出第二同步信号至第一级变换器和目标子模块，使得各子模块在第二时长中的驱动次数相等，其中，目标子模块为多个子模块中的其中一个。通过本申请，解决了相关技术中采用两级式变换器构成的电源系统，中间母线电压波动导致电源系统输出不稳定的问题，促进电源系统输出稳定。

权利要求

1.一种电源系统控制方法，其特征在于，应用于电源系统，所述电源系统包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器和所述第二级变换器之间设置有母线电容，所述第二级变换器包括多个并联的子模块，其中，所述第一级变换器以第一周期运行，所述第二级变换器以第二周期运行；所述方法包括：每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块；

每间隔第二时长，输出第二同步信号至所述第一级变换器和目标子模块，使得各子模块在所述第二时长中的驱动次数相等，其中，所述目标子模块为所述多个子模块中的其中一个；

其中，所述第一时长根据所述第二周期和所述第二级变换器中子模块的数目确定，所述第二时长根据所述第一周期和所述第二级变换器中子模块的数目确定。

2.根据权利要求1所述的电源系统控制方法，其特征在于，每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块，包括：获取所述第二级变换器中子模块的数目；

根据所述第二周期和所述子模块的数目，确定所述第一时长。

3.根据权利要求2所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值、所述子模块的数目，将所述第一周期平均分割成一个或者多个子区间；

控制各子模块在所述一个或者多个子区间每间隔所述第一时长轮流驱动。

4.根据权利要求1所述的电源系统控制方法，其特征在于，每间隔第二时长，输出第二同步信号至所述第一级变换器和目标子模块，包括：获取所述第二级变换器中子模块的数目；

根据所述第一周期和所述子模块的数目，确定所述第二时长。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述第一周期与所述第二周期满足第一关联关系，所述第一关联关系根据K和M确定，其中，M代表所述第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

6.根据权利要求5所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述第一关联关系包括：TS1=(K×M+1)×TS2/M；其中，TS1代表所述第一周期，TS2代表所述第二周期。

7.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一级变换器的电压转换比，确定所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值；

根据所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值，确定所述第一周期和所述第二周期。

8.根据权利要求7所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述第一周期与所述第二周期满足第二关联关系，所述第二关联关系根据N、K和M确定，其中，N代表所述第一级变换器的电压转换比，M代表所述第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

9.根据权利要求1所述的电源系统控制方法，其特征在于，所述电源系统用于为负载供电，所述方法还包括：在检测到所述负载发生突变的情况下，将所述第二级变换器的当前模式切换至暂态模式，其中，在所述暂态模式中，各子模块同步驱动。

10.根据权利要求9所述的电源系统控制方法，其特征在于，在将所述第二级变换器的当前模式切换至暂态模式之后，所述方法还包括：将所述第二级变换器的暂态模式切换至稳态模式，其中，在所述稳态模式中，各子模块每间隔所述第一时长依次驱动。

11.一种电源系统，其特征在于，包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器和所述第二级变换器之间设置有母线电容，所述第二级变换器包括多个并联的子模块；其中，所述第一级变换器以第一周期运行，所述第二级变换器以第二周期运行，各子模块每间隔第一时长依次驱动，且各子模块在每一次驱动时运行时长相等，每间隔第二时长，各子模块的驱动次数相等；其中，所述第一时长根据所述第二周期和所述第二级变换器中子模块的数目确定，所述第二时长根据所述第一周期和所述第二级变换器中子模块的数目确定。

12.根据权利要求11所述的电源系统，其特征在于，所述第一级变换器包括变压器拓扑或者开关电容拓扑，所述第二级变换器包括降压电路或者混合开关电容拓扑。

13. 根据权利要求12所述的电源系统，其特征在于，所述开关电容拓扑包括：（N‑1）组桥臂、N个通路开关和（N‑1）个飞跨电容；其中，各组桥臂包括两个串联的开关，各飞跨电容设置于各组桥臂的连接点与所述通路开关之间， N代表所述第一级变换器的电压转换比。

14.根据权利要求12所述的电源系统，其特征在于，所述混合开关电容拓扑包括多个串联电容的降压电路。

15.根据权利要求11所述的电源系统，其特征在于，还包括：控制器，分别与所述第一级变换器、所述第二级变换器连接，用于生成第一驱动信号和第二驱动信号，其中，所述第一驱动信号用于驱动所述第一级变换器，所述第二驱动信号用于驱动所述第二级变换器。

16.根据权利要求15所述的电源系统，其特征在于，还包括：第一级驱动模块，与所述第一级变换器连接；多个第二级驱动模块，与所述第二级变换器中多个子模块逐个对应连接；

所述控制器分别与所述第一级驱动模块和所述多个第二级驱动模块连接，其中，所述第一驱动信号经由所述第一级驱动模块输出，所述第二驱动信号经由所述第二级驱动模块输出。

17.根据权利要求15所述的电源系统，其特征在于，还包括：采样模块，至少一个所述采样模块设置于所述第二级变换器和所述控制器之间，用于采集所述第二级变换器的输出电流。

说明书

电源系统控制方法和电源系统

技术领域

[0001] 本申请涉及电力电子领域，特别是涉及一种电源系统控制方法和电源系统。

背景技术

[0002] 相关技术提供了一种电源系统，采用两级变换器级联的形式对负载供电，首先通过第一级变换器产生一个中间母线电压，然后由第二级变换器进行中间母线电压到输出低压的转换，其中，第二级变换器由多个并联子模块构成。由于前后两级变换器的工作模式不同，其瞬时功率也不同，因此需要功率解耦。常见的解耦方法是在中间母线上放置电容，用于吸收前后两级变换器的功率差，同时降低中间母线电压的波形，为第二级变换器提供一个稳定的输入电压。当中间母线电容足够大时，前后级变换器可以当作两个独立的对象进行控制。当中间母线电容较小时，一旦中间母线产生较大的电压波动，将导致电源系统输出不稳定。

[0003] 针对相关技术中采用两级式变换器构成的电源系统，中间母线电压波动导致电源系统输出不稳定的问题，目前还没有提出有效的解决方案。

发明内容

[0004] 在本实施例中提供了一种电源系统控制方法和电源系统，以解决相关技术中采用两级式变换器构成的电源系统，中间母线电压波动导致电源系统输出不稳定的问题。

[0005] 第一个方面，在本实施例中提供了一种电源系统控制方法，应用于电源系统，所述电源系统包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器和所述第二级变换器之间设置有母线电容，所述第二级变换器包括多个并联的子模块，其中，所述第一级变换器以第一周期运行，所述第二级变换器以第二周期运行；所述方法包括：

[0006] 每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块；

[0007] 每间隔第二时长，输出第二同步信号至所述第一级变换器和目标子模块，使得各子模块在所述第二时长中的驱动次数相等，其中，所述目标子模块为所述多个子模块中的其中一个。

[0008] 在其中一些实施例中，每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块，包括：

[0009] 获取所述第二级变换器中子模块的数目；

[0010] 根据所述第二周期和所述子模块的数目，确定所述第一时长。

[0011] 在其中一些实施例中，所述方法还包括：

[0012] 根据所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值、所述子模块的数目，将所述第一周期平均分割成一个或者多个子区间；

[0013] 控制各子模块在所述一个或者多个子区间每间隔所述第一时长轮流驱动。

[0014] 在其中一些实施例中，每间隔第二时长，输出第二同步信号至所述第一级变换器和目标子模块，包括：

[0015] 获取所述第二级变换器中子模块的数目；

[0016] 根据所述第一周期和所述子模块的数目，确定所述第二时长。

[0017] 在其中一些实施例中，所述第一周期与所述第二周期满足第一关联关系，所述第一关联关系根据K和M确定，其中，M代表所述第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

[0018] 在其中一些实施例中，所述第一关联关系包括：TS1=(K×M+1)×TS2/M；其中，TS1代表所述第一周期，TS2代表所述第二周期。

[0019] 在其中一些实施例中，所述方法还包括：

[0020] 根据所述第一级变换器的电压转换比，确定所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值；

[0021] 根据所述第一周期和所述第二周期之间的周期比值，确定所述第一周期和所述第二周期。

[0022] 在其中一些实施例中，所述第一周期与所述第二周期满足第二关联关系，所述第二关联关系根据N、K和M确定，其中，N代表所述第一级变换器的电压转换比，M代表所述第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

[0023] 在其中一些实施例中，所述电源系统用于为负载供电，所述方法还包括：

[0024] 在检测到所述负载发生突变的情况下，将所述第二级变换器的当前模式切换至暂态模式，其中，在所述暂态模式中，各子模块同步驱动。

[0025] 在其中一些实施例中，在将所述第二级变换器的当前模式切换至暂态模式之后，所述方法还包括：

[0026] 将所述第二级变换器的暂态模式切换至稳态模式，其中，在所述稳态模式中，各子模块每间隔所述第一时长依次驱动。

[0027] 第二个方面，在本实施例中提供了一种电源系统，包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，所述第一级变换器和所述第二级变换器之间设置有母线电容，所述第二级变换器包括多个并联的子模块；其中，所述第一级变换器以第一周期运行，所述第二级变换器以第二周期运行，各子模块每间隔第一时长依次驱动，且各子模块在每一次驱动时运行时长相等，每间隔第二时长，各子模块的驱动次数相等。

[0028] 在其中一些实施例中，所述第一级变换器包括变压器拓扑或者开关电容拓扑，所述第二级变换器包括降压电路或者混合开关电容拓扑。

[0029] 在其中一些实施例中，所述开关电容拓扑包括：（N‑1）组桥臂、N个通路开关和（N‑1）个飞跨电容；其中，各组桥臂包括两个串联的开关，各飞跨电容设置于各组桥臂的连接点与所述通路开关之间， N代表所述第一级变换器的电压转换比。

[0030] 在其中一些实施例中，所述混合开关电容拓扑包括多个串联电容的降压电路。

[0031] 在其中一些实施例中，还包括：控制器，分别与所述第一级变换器、所述第二级变换器连接，用于生成第一驱动信号和第二驱动信号，其中，所述第一驱动信号用于驱动所述第一级变换器，所述第二驱动信号用于驱动所述第二级变换器。

[0032] 在其中一些实施例中，还包括：第一驱动模块，与所述第一级变换器连接；多个第二级驱动模块，与所述第二级变换器中多个子模块逐个对应连接；所述控制器分别与所述第一级驱动模块和所述多个第二级驱动模块连接，其中，所述第一驱动信号经由所述第一级驱动模块输出，所述第二驱动信号经由所述第二级驱动模块输出。

[0033] 在其中一些实施例中，还包括：采样模块，至少一个所述采样模块设置于所述第二级变换器和所述控制器之间，用于采集所述第二级变换器的输出电流。

[0034] 与相关技术相比，本实施例提供的电源系统控制方法，应用于电源系统，该电源系统包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，第一级变换器和第二级变换器之间设置有母线电容，第二级变换器包括多个并联的子模块，其中，第一级变换器以第一周期运行，第二级变换器以第二周期运行；每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块；每间隔第二时长，输出第二同步信号至第一级变换器和目标子模块，使得各子模块在第二时长中的驱动次数相等，其中，目标子模块为多个子模块中的其中一个。通过本申请，解决了相关技术中采用两级式变换器构成的电源系统，中间母线电压波动导致电源系统输出不稳定的问题，促进电源系统输出稳定。

[0035] 本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

[0036] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0037] 图1是一实施例中电源系统的结构示意图一；

[0038] 图2是一实施例中第一级变换器的若干种结构示意图；

[0039] 图3是一实施例中第二级变换器的结构示意图一；

[0040] 图4是一实施例中第二驱动信号的波形示意图；

[0041] 图5是一实施例中第一级变换器的工作状态示意图一；

[0042] 图6是相关技术中电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图；

[0043] 图7是一实施例中电源系统控制方法的流程图；

[0044] 图8是一实施例中两级驱动信号和两级同步信号的波形示意图一；

[0045] 图9是一实施例中电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图一；

[0046] 图10是一实施例中第一级变换器的工作状态示意图二；

[0047] 图11是一实施例中两级驱动信号和两级同步信号的波形示意图二；

[0048] 图12是一实施例中电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图二；

[0049] 图13是一实施例中另一种电源系统的控制方法的示意图；

[0050] 图14是一实施例中第二级变换器的结构示意图三；

[0051] 图15是一实施例中第二级变换器的结构示意图四；

[0052] 图16是一实施例中电源系统的结构示意图二；

[0053] 图17是一实施例中电源系统的结构示意图三；

[0054] 图18是一实施例中电源系统的结构示意图四；

[0055] 图19是一实施例中电源系统的仿真波形图一；

[0056] 图20是相关技术中电源系统的仿真波形图一；

[0057] 图21是一实施例中电源系统的仿真波形图二；

[0058] 图22是相关技术中电源系统的仿真波形图二。

具体实施方式

[0059] 为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。

[0060] 除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本申请中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块（单元）的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块（单元），而可包括未列出的步骤或模块（单元），或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块（单元）。在本申请中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本申请中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本申请中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。

[0061] 在一个实施例中，参见图1，为本实施例提供的一种电源系统的结构示意图，该电源系统包括：前后级联的第一级变换器和第二级变换器，第一级变换器和第二级变换器之间设置有母线电容CIB，第二级变换器包括多个并联的子模块，第一级变换器以第一周期运行，第二级变换器以第二周期运行。其中，第一级变换器由第一驱动信号驱动，第二级变换器由第二驱动信号驱动。第一驱动信号和第二驱动信号可以由一个控制器生成，也可以由两个独立的控制器生成。

[0062] 在本实施例中，第一级变换器可以采用变压器拓扑，也可以采用开关电容拓扑（Switched‑Capacitor）。参见图2，为本实施例提供的三种第一级变换器的结构示意图。第一级变换器采用开关电容拓扑，开关电容拓扑包括：（N‑1）组桥臂、N个通路开关和（N‑1）个飞跨电容；其中，各组桥臂包括两个串联的开关，各飞跨电容设置于各组桥臂的连接点与通路开关之间，N代表第一级变换器的电压转换比，且N大于或者等于2。其中，开关可以采用诸如三极管、MOS管、IGBT等的半导体开关实现。如图2中的（a），开关电容拓扑的电压转换比N是2:1，也被称为电荷泵（Charge Pump）；如图2中的（b），开关电容拓扑的电压转换比N是3:1，也被称为Dickson变换器；如图2中的（c），开关电容拓扑的电压转换比N是4:1。在中间母线电容CIB很小（极端情况，CIB为0）的情况下，第一级变换器的输出电流基本等于第二级变换器的输入电流。

[0063] 第二级变换器可以采用降压电路，也可以采用混合开关电容拓扑（Hybrid‑Switched‑Capacitor）。参见图3，为本实施例提供的一种第二级变换器的结构示意图，第二级变换器采用降压电路。各子模块包括一个降压电路，各降压电路包括电感和两个开关，开关可以采用诸如三极管、MOS管、IGBT等的半导体开关实现。为便于说明，暂且将图3的第二级变换器定义为四相Buck变换器，每一相Buck变换器可视为一个子模块。当Buck变换器的上开关（S1H~ S4H）导通，下开关（S1L~ S4L）关闭时，Buck变换器的输入电流等于输出电感电流（IL1~ IL4）。上开关导通时间占整个周期的占比，定义为占空比D。在电源系统稳定运行时，要求每一相Buck变换器输出电感电流相等，因为电感电流均衡可实现电源系统较高的效率和稳定性。

[0064] 参见图4，为本实施例提供的一种第二驱动信号的波形示意图。IIB为中间母线电流，TS2为第二周期，D TS2为各子模块的占空比，VG1H~VG4H为对应各子模块的上开关驱动信号，各子模块的上开关驱动信号相差360º/4=90º，即四相Buck变换器交错运行，对应的第二级输入电流（基本等于第一级输出电流）为一个脉冲电流，其幅值等于各相电感电流的幅值，频率为第二级变换器开关频率的四倍。理想情况下，认为第二级变换器的输入电压（即中间母线电压）保持恒定，没有波动。在中间母线电容CIB较大时，VIB的波动也很小，通常将CIB的电容值设计成能保持VIB的波动小于5%。上述两种情况下，认为VIB对第二级变换器的影响很小，可以忽略。在中间母线电容CIB较小时，VIB有较大波动，此波动受第一级变换器的工作模式以及其中飞跨电容大小的影响。

[0065] 参见图5，为本实施例提供的一种第一级变换器的工作状态示意图。该图以2:1的电荷泵为例，TS1为第一周期，CF1为飞跨电容，电荷泵变换器有两个工作状态：如图5中的（a），当处于第一个工作状态，VIB=VIN‑VCF1，其中，VIN是恒定电压源，CF1被IIB充电，因此VIB随之下降；如图5中的（b），当处于第二个工作状态，VIB=VCF1，CF1被IIB放电，因此VIB随之下降。

[0066] 参见图6，为相关技术中电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图，此时，TS1=2TS2，一旦中间母线产生较大的电压波动，第二级变换器中各子模块的输入电压便不一致，如果此时各子模块的占空比D仍保持一致，则会导致第二级各子模块输出电感电流不均衡，最终将导致电源系统输出不稳定。比如子模块1一直在VIB较大时工作，其输出电感充电电压也较大，因此子模块1的输出电流将偏大。同理，子模块4的输出电流将一直偏小。为解决这种情况，相关技术是动态补偿各子模块的占空比，即各个子模块的占空比单独控制，但是，这种方法需要实时采样VIB和各子模块的输出电感电流，控制成本高。

[0067] 为解决上述问题，参见图7，为本实施例提供的一种电源系统控制方法的流程图，应用于图1所示的电源系统，该方法包括如下步骤：

[0068] 步骤S101，每间隔第一时长，输出第一同步信号至下一个待驱动的子模块。

[0069] 控制器输出第一同步信号，用于同步第二级变换器内部的各子模块，使得各子模块每间隔第一时长依次驱动，且各子模块在每一次驱动时运行时长相等，如此设置，保持各子模块工作在交错模式。确定第一时长包括：获取第二级变换器中子模块的数目；根据第二周期和子模块的数目，确定第一时长。具体地，第一时长= TS2/M，其中，TS2代表第二周期，M代表第二级变换器中子模块的数目。此外，各子模块工作在交错模式，即各子模块相位差360º/M。

[0070] 步骤S102，每间隔第二时长，输出第二同步信号至第一级变换器和目标子模块，使得各子模块在第二时长中的驱动次数相等，其中，目标子模块为多个子模块中的其中一个。

[0071] 控制器输出第二同步信号，用于同步第一级变换器和第二级变换器，使得各子模块每间隔第二时长完成相同次数的驱动。确定第二时长包括：获取第二级变换器中子模块的数目；根据第一周期和子模块的数目，确定第二时长。具体地，第二时长= TS1×M，其中，TS1代表第一周期。

[0072] 目标子模块，可以是指每间隔第二时长，第二级变换器中首个驱动的子模块。例如，在上一个第二时长中，第一子模块在第二级变换器中首个驱动，则在下一个第二时长中，第一子模块作为目标子模块，在第二级变换器中也是首个驱动。

[0073] 在上述步骤S101至步骤S102中，采用两级同步信号，合理设计各同步信号的频率关系，促成第二级变换器各子模块之间形成相位轮转，最终使得各子模块每间隔第二时长所驱动的次数相等，使得每个第二级子模块的平均输入电压相等，以确保每个子模块输出电感电流的平均值也相等，使得第二级各子模块之间的功率平衡，最终促进电源系统输出稳定，且不需要额外的占空比单独补偿控制，不会增加控制成本。

[0074] 在一个实施例中，可以根据第一周期和第二周期之间的周期比值、子模块的数目，将第一周期平均分割成一个或者多个子区间；控制各子模块在一个或者多个子区间每间隔第一时长轮流驱动。

[0075] 为方便确定各参数，以下实施例将给出第一周期（第一驱动信号）与第二周期（第二驱动信号）所满足的关系。

[0076] 在一个实施例中，第一周期（第一驱动信号）与第二周期（第二驱动信号）满足第一关联关系，第一关联关系根据K和M确定，其中，M代表第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

[0077] 具体地，第一关联关系包括：

[0078] TS1=(K×M+1)×TS2/M

[0079] 其中，TS1代表第一驱动信号的周期，TS2代表第二驱动信号的周期。

[0080] 以下将给出示例性方案对本实施例提供的电源系统控制方法进行进一步说明。

[0081] 在一个实施例中，对于第二级变换器有4个子模块的情况，结合图5，参见图8，为本实施例提供的一种两级驱动信号和两级同步信号的波形示意图，第一级为2:1电荷泵，第二级为4个子模块，此时，第二级变换器中各子模块每间隔TS2/4依次驱动，相位差保持360º/4=90º，第一级变换器和第二级变换器每4个TS1同步一次。结合图8，参见图9，为本实施例提供的一种电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图，此时，TS1=2.25TS2。结合图9，表1列出了在4个TS1中每个第二级变换器子模块导通时刻所处的区间。

[0082]

[0083] 参见表1，此时，一个TS1被平均分成9个区间。以图9中的工作状态为起点，记为第1个TS1，在此周期中，子模块1的上开关将在第1、5、9区间导通；在第2个TS1，子模块1的上开关将在第4、8区间导通；在第3个TS1，子模块1的上开关将在第3、7区间导通；在第4个TS1，子模块1的上开关将在第2、6区间导通。经过4个TS1，子模块1完成9个区间的轮转，不出现在重复位置上开通。其余3个子模块在4个TS1内也完成一次9个区间的轮转，不受VIB的形状及占空比的影响。

[0084] 在一个实施例中，参见图10，为本实施例提供的另一种第一级变换器的工作状态示意图。该图以3:1的Dickson变换器为例，CF2为飞跨电容，如图10中的（a）和（b），Dickson变换器有两个工作状态，在一个TS1内，这两个状态占的比例不相同。结合图10，参见图11，为本实施例提供的一种两级驱动信号和两级同步信号的波形示意图，第一级为3:1 Dickson变换器，第二级为3个子模块，此时，第二级变换器中各子模块每间隔TS2/3依次驱动，相位差保持360º/3=120º，第一级变换器和第二级变换器每3个TS1同步一次。结合图11，参见图12，为本实施例提供的另一种电源系统的VIB与IIB的波形对比示意图，其中，第二级变换器包括3个子模块，此时，TS1= 7TS2/3。结合图12，表2列出了在3个TS1中每个第二级变换器子模块导通时刻所处的区间。

[0085]

[0086] 参见表2，此时，一个TS1被平均分成7个区间。以图12中的工作状态为起点，记为第1个TS1，在此周期中，子模块1的上开关将在第1、4、7区间导通；在第2个TS1，子模块1的上开关将在第3、6区间导通；在第3个TS1，子模块1的上开关将在第2、5区间导通。经过3个TS1，子模块1完成7个区间的轮转，不出现在重复位置上开通。其余2个子模块在3个TS1内也完成一次7个区间的轮转，不受VIB的形状及占空比的影响。

[0087] 在上述两个实施例中，表1给出了当M = 4、K = 2时的实施方式，表2给出了当M=3、K=3时的实施方式。第一同步信号周期为TS2/M，以保持第二级各子模块之间的相位差，第二同步信号周期为TS1×M，按照此同步方法，一二级同步信号每次将同步启动固定的第二级子模块（如图3中的子模块1），每个第二级子模块的相位差保持360º/M。通过相位轮转的控制方法，当有M个第二级子模块，将第一级变换器的周期平均分成了(K×M+1)个区间，经过M个TS1，每个第二级子模块的上开关共导通(K×M+1)次，每次导通的时刻所处的区间不会重复。在这M个TS1中，每个第二级子模块的平均输入电压相等，以确保每个子模块输出电感电流的平均值也相等，使得第二级各子模块之间的功率平衡，最终促进电源系统输出稳定，且不需要额外的占空比单独补偿控制，不会增加控制成本。

[0088] 在电源系统为负载供电过程中，可能发生负载突变的情况，例如负载突增或突减。面对这一问题，在一个实施例中，参见图13，给出了另一种电源系统的控制方法的示意图，该方法包括：在检测到负载发生突变的情况下，将第二级变换器的当前模式切换至暂态模式，其中，在暂态模式中，各子模块同步驱动。相应地，在将第二级变换器的当前模式切换至暂态模式之后，将第二级变换器的暂态模式切换至稳态模式，其中，在稳态模式中，各子模块每间隔第一时长依次驱动。在暂态过程中，为了提供负载电流的突变，并且维持输出电压恒定，需要增大或减小第二级子模块的占空比。如果将原先交错360º/M运行的各子模块同步运行，即相位差为0度，可以加快输出负载调节的能力。因此，在暂态过程中，第二级各子模块同步运行，暂态结束后切回稳态控制。

[0089] 在实际应用中，当第一级变换器采用开关电容拓扑时，第一级变换器中的飞跨电容电压会不稳定，从而影响输入至第二级子模块的电流平均值。为解决该问题，在一个实施例中，方法还包括：根据第一级变换器的电压转换比，确定第一周期和第二周期之间的周期比值；根据第一周期和第二周期之间的周期比值，确定第一周期和/或第二周期。在本实施例中，根据第一级变换器的电压转换比，控制第一级变换器的周期时长以及第二级变换器的周期时长之间的比值，使得第一级飞跨电容在第一级变换器的一个周期内保持电压不变，确保第一级变换器的不同开关导通阶段，输入至第二级子模块的电流平均值相等，实现第一级飞跨电容均衡充放电。

[0090] 在一个实施例中，第一周期（第一驱动信号）与第二周期（第二驱动信号）满足第二关联关系，第二关联关系根据N、K和M确定，其中，N代表第一级变换器的电压转换比，M代表第二级变换器中子模块的数目，K代表自然数。

[0091] 可选地，当N=3时，第二关联关系包括：

[0092] TS1/3=(K×TS2)/M

[0093] 可选地，当N为大于等于5的奇数时，第二关联关系包括：

[0094] (N‑3)×TS1/4×N=(K×TS2)/M

[0095] 可选地，当N为大于等于4的偶数时，第二关联关系包括：

[0096] (N‑2)×TS1/4×N=(K×TS2)/M

[0097] 其中，TS1代表第一周期，TS2代表第二周期。

[0098] 本申请提供的电源系统适用于不同的第一级变换器拓扑，不受中间母线电压波形和第二级子模块数量和电路拓扑限制。在一个实施例中，第二级变换器可以采用混合开关电容拓扑。示例性地，图14和图15分别给出了两种第二级变换器的结构示意图。参见图14，第二级变换器包括3个子模块，每个子模块为4相串联电容Buck变换器，各Buck变换器包括电感和两个开关，且各Buck变换器的两个开关之间串联有电容。参见图15，第二级变换器包括4个子模块，每个子模块为3相串联电容Buck变换器，各Buck变换器包括电感和两个开关，且各Buck变换器的两个开关之间串联有电容。其中，开关可以采用诸如三极管、MOS管、IGBT等半导体开关实现。

[0099] 在一个实施例中，参见图16，为本实施例提供的另一种电源系统的结构示意图，该电源系统包括：

[0100] 控制器、前后级联的第一级变换器和第二级变换器，第一级变换器和第二级变换器之间设置有母线电容，第二级变换器包括多个并联的子模块，控制器分别与第一级变换器、第二级变换器连接，用于生成第一驱动信号和第二驱动信号，其中，第一驱动信号用于驱动第一级变换器，第二驱动信号用于驱动第二级变换器；其中，第一级变换器以第一周期运行，第二级变换器以第二周期运行，各子模块每间隔第一时长依次驱动，且各子模块在每一次驱动时运行时长相等，每间隔第二时长，各子模块的驱动次数相等。

[0101] 在一个实施例中，参见图17，在图16的基础上，该电源系统还包括：第一驱动模块，与第一级变换器连接；多个第二级驱动模块，与第二级变换器中多个子模块逐个对应连接；控制器分别与第一级驱动模块和多个第二级驱动模块连接，其中，第一驱动信号经由第一级驱动模块输出，第二驱动信号经由第二级驱动模块输出。

[0102] 在一个实施例中，参见图18，在图17的基础上，该电源系统还包括：第一采样模块，设置于第二级变换器和控制器之间，用于采集第二级变换器的输出电流。

[0103] 可选地，请继续参见图18，电源系统还包括：第二采样模块，设置于第一级变换器的输入端和控制器之间，用于采集第一级变换器的输入电流；第三采样模块，设置于第一级变换器的输出端和控制器之间，用于采集第一级变换器的输出电流。

[0104] 在一个实施例中，给出了以下实验结果。

[0105] 参见图19，为本实施例提供的一种电源系统的仿真波形图。电源系统的第一级变换器为2:1电荷泵，第二级变换器包括图3所示的4相Buck变换器，TS1= 8.25TS2，由仿真波形可知，本实施例提供的电源系统，第二级变换器各子模块的输出电感电流平衡。作为对比，图20展示了相关技术的电源系统的仿真波形图，其中，TS1= 8TS2，由仿真波形可知，第二级变换器各子模块的输出电感电流平均值不相等。

[0106] 参见图21，为本实施例提供的一种电源系统的仿真波形图，电源系统的第一级变换器为3:1 Dickson变换器，第二级变换器包括3个4相Buck，TS1= 25TS2/3，由仿真波形可知，本实施例提供的电源系统，第二级变换器各子模块的输出电感电流平衡。作为对比，图22展示了相关技术的电源系统的仿真波形图，其中，TS1= 8TS2，由仿真波形可知，第二级变换器各子模块的输出电感电流平均值不相等。

[0107] 在一个实施例中，电源系统可以对中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）等低压大电流负载进行供电。此类耗电设备（负载）的工作电压范围一般在0.5V至1.5V，消耗的电流可高达三四百安培，多个设备并行运行时，整个系统的消耗电流可超过一千安培。此类负载的传统供电方案是将一个12V母线转换成低压（如1V）对其进行供电。由于负载耗电量不断2
增加，导致整个系统的输入电流也不断增加，由P=IR可知，在12V母线上消耗的导线电阻损耗也急剧增加。为了降低导线电阻损耗，进而降低发热和线缆成本，可以将输入母线电压从
12V提升至48V，相同功率下，输入导线电阻损耗可降低至原先的1/16。输入母线电压提升至
48V后，可采用本实施例的电源系统对负载供电，首先通过第一级变换器产生一个中间母线电压（通常为12V），然后由第二级变换器进行中间母线到输出低压的转换。当中间母线电容足够大时，两级式变换器中的前后级变换器可以当作两个独立的对象进行控制。当中间母线电容较小时，本实施例的电源系统，能够使得第一级变换器中飞跨电容电压稳定，同时使得第二级变换器中各个子模块之间的功率平衡。

[0108] 应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。

[0109] 显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。

[0110] “实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。

[0111] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read‑Only Memory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

[0112] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。