开关电容转换器及其操作方法技术

公开了一种开关电容转换器和操作开关电容转换器的方法。该开关电容转换器包括耦接在输入端与输出端处的整流器之间的多个支线。每个支线均包括电容器。第一组支线耦接至整流器的第一支路，并且第二组耦接至整流器的第二支路。开关装置连接至每个支线。控制器交替切换连接至第一组支线和第二组支线的开关装置，以将能量从输入端传输至输出端。基于指示通过每个开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断，并且保持关断状态直到连接至该组的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。

Switched Capacitor Converter and Its Operation

A switched capacitor converter and a method for operating the switched capacitor converter are disclosed. The switched capacitor converter includes a plurality of branches coupled between the rectifier at the input end and the output end. Each branch includes capacitors. The first group of branches is coupled to the first branch of the rectifier, and the second group is coupled to the second branch of the rectifier. Switching devices are connected to each branch line. The controller alternately switches the switching devices connected to the first and second branch lines to transfer energy from the input end to the output end. Based on the zero-crossing information indicating that the current of each switch device is zero-crossing or almost zero-crossing, the switch is modified so that each switch device connected to the same group of branches is turned off when the current of the switch device is zero-crossing or almost zero-crossing, and the turn-off state is maintained until all the switch devices connected to the group are turned off for a predetermined amount of time.

【技术实现步骤摘要】
开关电容转换器及其操作方法
本申请涉及开关电容转换器，特别地涉及开关电容转换器中的零电流切换控制。
技术介绍
开关电容转换器是一类使用电容器提供能量传输和电压转换的电压转换器。开关电容转换器的每个支线(leg)包括电容器，并且开关装置连接至每个支线以控制电容器的充电。在一些实现中，支线中的一些还包括使这些支线谐振的电感器。在任一情况下，不同组的转换器支线均在输出端耦接至整流器的不同支路。交替切换不同组的转换器支线以将能量从输入端传输至输出端。诸如半桥整流器的整流器在每个切换周期期间对从电容器传输的能量进行整流。经整流的输出可以直接施加至负载或另一转换器级，例如降压转换器、POL(负载点)转换器等。对于以相同的占空比切换每个支线的开关电容转换器而言，每个支线中的电流理想地是相同的。然而，由于电感器、电容器等的容差，不同支线中的一些电流或全部电流是相位失配的，这意味着一些支线中的电流在其他支线中的电流之前或之后过零。即使电感和/或谐振电容容差低至10％，转换器效率也会由于支线电流的相位失配而出现显著下降。理想地，连接至每个谐振支线的开关在ZCS(零电流切换)条件下切换，在该ZCS切换中，当通过该开关装置的电流穿过零点时关断开关装置并且保持关断状态达一定死区时间。另外，在非ZCS条件下的高电流电平下，由于采用了大量的开关装置，因此切换损耗相当大。然而，标准的50％占空比切换在实际实现中不允许ZCS，在实际实现方式中，部件具有容差并且存在其他非线性特性，并且ZCS对于一些支线或全部支线会丢失。常规的方法实现完全的开环控制并且简单地增加接通与关断每个支线的开关之间的死区时间，以试图在关断时间避免正或负的开关电流。该方法通过延长每个切换周期并且显著增加死区时间而降低了系统效率。
技术实现思路
根据开关电容转换器的实施方式，转换器包括输入端、输出端、输出端处的整流器以及耦接在输入端与整流器之间的多个支线。每个支线包括电容器。第一组支线耦接至整流器的第一支路，而第二组支线耦接至整流器的第二支路。开关电容转换器还包括连接至每个支线的开关装置以及能够操作成交替切换连接至第一组支线和第二组支线的开关装置以将能量从输入端传输至输出端的控制器。基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。根据操作开关电容转换器的方法的实施方式，该开关电容转换器包括：输入端；输出端；输出端处的整流器；耦接在输入端与整流器之间的多个支线，每个支线包括电容器，第一组支线连接至整流器的第一支路并且第二组支线连接至整流器的第二支路；以及连接至每个支线的开关装置，该方法包括：交替切换连接至第一组支线和第二组支线的开关装置以将能量从输入端传输至输出端；以及基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过开关装置的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。本领域技术人员在阅读下面的详细描述以及查看附图时将认识到附加特征和优点。附图说明附图的中元素不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部分。各种所示实施方式的各特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施方式在附图中被描绘并且在下面的描述中详细说明。图1示出了实现零电流切换控制的开关电容转换器的实施方式的框图；图2示出了在常规PWM控制下工作的图1所示的开关电容转换器的电流波形；图3示出了在零电流切换控制下工作的图1所示的开关电容转换器的电流波形；图4至图8示出了用于向图1所示的开关电容转换器的支线提供过零信息的电路的不同实施方式的相应框图；图9示出了实现零电流切换的开关电容转换器的另一实施方式的框图；图10示出了包括在图9所示的开关电容转换器中的整流器支路的集成功率级实现的实施方式的框图。具体实施方式本文中描述的实施方式为开关电容转换器提供零电流切换控制。可以例如通过以下方式来确定零电流切换条件：感测或估计开关电容转换器的每个谐振支线的电容器电压的电流或导数，并且使用该过零信息来实现对转换器的每个支线的准确的ZCS(零电流切换)或近似ZCS切换的控制。这样做使得转换器能够确定最佳切换频率并且在所有支线上都具有ZCS或近似ZCS的条件，从而使转换器的效率最大化。图1示出了具有零电流切换控制的开关电容转换器100的实施方式。开关电容转换器100具有耦接至电压源Vin的输入端102、耦接至负载或其他转换器106的输出端104、输出端104处的整流器108和输出电容器Cout以及耦接在输入端102与整流器108之间的多个支线。经整流的输出电压Vout可以被直接施加至负载或另一转换器级106，例如降压转换器、POL(负载点)转换器等。例如，输入电压Vin可以在从36V到54V的范围内，并且在多级转换器情况下输出电压Vout可以在从6V到9V的范围内。在任何情况下，用于开关电容转换器100的控制器110保持转换器支线的适当切换以将能量从输入端102传输至输出端104。开关电容转换器100的每个支线包括各自的电容器Cy。支线中的一些支线(其在本文中也称为谐振支线)包括连接至相应电容器Cy的电感器Lx。开关装置Qx连接至每个支线，用于控制电容器Qx的充电。图1中总共示出六个支线，其中，谐振支线1包括谐振电容器C1和电感器L1，支线2包括飞跨电容器C2，谐振支线3包括谐振电容器C3和电感器L2，支线4包括飞跨(flying)电容器C4，谐振支线5包括谐振电容器C5和电感器L3，并且支线6包括飞跨电容器C6。开关装置Qx可以是分立功率晶体管管芯(芯片)、至少包括形成单独开关装置以及相应的驱动器和控制电路等的功率晶体管的集成功率级。包括谐振电容器C1、C3和C5的(第一)谐振支线组耦接至整流器108的第一支路112，并且包括飞跨电容器C2、C4和C6的(第二)非谐振支线组耦接至整流器108的第二支路114。整流器是对于每组支线而言AC电流处于相反相位的开关电容整流器。在第一组正在充电时，另一组正在放电。整流器开关在电流正在放电时交替地将每个支线连接至输出端，并且在电流正在充电时将每个支线接地。在一个实施方式中，整流器108的每个支路112、114包括作为半桥耦接的两个开关装置Qm/Qn。其他整流器配置是可能的。在图1所示的示例性6:1拓扑并且n＝3的情况下，相应支线的电容器两端的稳态电压如下：VC5＝1*VoutVC4＝2*VoutVC3＝3*VoutVC2＝4*VoutVC1＝5*Vout图1所示的示例性系统的转换比是Vout/Vin＝2n＝6。通常，开关电容转换器100可以包括任意偶数个的支线。例如，开关电容转换器100可以包括两个支线并且Vout/Vin＝2n＝2，或者开关电容转换器100可以包括四个支线并且Vout/Vin＝2n＝4，或者开关电容转换器100可以包括八个支线并且Vout/Vin＝2n＝6等。支线的数目取决于要使用转换器100的应用。开关电容转换器100的控制器110交替切换第一(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容转换器，包括：输入端；输出端；所述输出端处的整流器；耦接在所述输入端与所述整流器之间的多个支线，每个支线包括电容器，第一组支线耦接至所述整流器的第一支路，并且第二组支线耦接至所述整流器的第二支路；连接至每个支线的开关装置；以及控制器，所述控制器能够操作成交替地切换连接至所述第一组支线和所述第二组支线的开关装置，以将能量从所述输入端传输至所述输出端，其中，基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改所述切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断，并且保持关断状态直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。

【技术特征摘要】
2017.07.13 US 15/648,7641.一种开关电容转换器，包括：输入端；输出端；所述输出端处的整流器；耦接在所述输入端与所述整流器之间的多个支线，每个支线包括电容器，第一组支线耦接至所述整流器的第一支路，并且第二组支线耦接至所述整流器的第二支路；连接至每个支线的开关装置；以及控制器，所述控制器能够操作成交替地切换连接至所述第一组支线和所述第二组支线的开关装置，以将能量从所述输入端传输至所述输出端，其中，基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改所述切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断，并且保持关断状态直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。2.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述过零信息包括感测到的通过每个开关装置的电流。3.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述过零信息包括感测到的所述支线的每个电容器两端的电容器电压的导数。4.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述控制器能够操作成产生用于切换每个开关装置的单独的脉冲宽度调制PWM信号，并且其中，所述控制器能够操作成基于相应的开关装置的过零信息来调节每个PWM信号的占空比，使得每个开关装置的占空比与该开关装置的过零电流相对应。5.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，连接至所述第一组支线的每个开关装置被实现为集成功率级，所述集成功率级被配置成感测所述集成功率级的输出电流，其中，所述控制器能够操作成产生用于切换连接至所述第一组支线的每个开关装置的单个脉冲宽度调制PWM信号，并且其中，每个集成功率级能够操作成基于所述集成功率级的输出电流来调节所述PWM信号的占空比，使得包括在所述集成功率级中的开关装置的占空比与该开关装置的过零电流相对应。6.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述第一组中的每个支线包括连接至该支线的电容器的电感器，其中，所述电感器由电流互感器的第一绕组形成，并且其中，所述第一组中的每个支线的所述过零信息通过连接至该支线的所述电流互感器的第二绕组的感测电路来获得，所述感测电路被配置成对连接至相应支线的开关装置的过零电流进行感测。7.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述第一组中的每个支线包括连接至该支线的电容器的电感器，并且其中，所述第一组中的每个支线的过零信息通过连接至该支线的电感器的DCR感测电路来获得，所述DCR感测电路被配置成对连接至相应支线的开关装置的过零电流进行感测。8.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述第一组中的每个支线包括连接至该支线的电容器的电感器，并且其中，所述第一组中的每个支线的过零信息通过感测电路来获得，所述感测电路被配置成参考接地对该支线的电感器两端的电压进行感测，并且其中，所述控制器能够操作成解决感测每个电感器两端的电压的过零中的失配。9.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，连接至所述第一组支线的每个开关装置被实现为集成功率级，所述集成功率级被配置成感测所述集成功率级的输出电流，并且其中，所述第一组中的每个支线的过零信息从由该支线的集成功率级感测到的输出电流中得到。10.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，每个支线的过零信息从对于连接至该支线的开关装置的接通状态电阻测量结果中得到。11.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述整流器的每个支路包括被配置成感测通过所述支路的电流的集成功率级，并且其中，每个支线的过零信息从耦接至该支线的支路的集成功率级感测到的电流中得到。12.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述控制器能够操作成在每个切换周期的第一部分期间接通所述第一组支线并且在每个切换周期的第二部分期间关断所述第一组支线，其中，所述控制器能够操作成在每个切换周期的第一部分期间关断所述第二组支线并且在每个切换周期的第二部分期间接通所述第二组支线，并且其中，所述控制器能够操作成使用针对当前切换周期所确定的相同的过零信息来修改在所述当前切换周期的第一部分期间关断连接至所述第一组支线的每个开关装置的点，并且修改在所述当前切换周期的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿米尔·巴巴扎德，克里斯蒂安·雷纳，丹尼·克拉韦特，拉凯什·伦加纳坦，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT