具有电容器预充电的开关电容器转换器制造技术

本公开提供了具有电容器预充电的开关电容器转换器。开关电容器转换器包括：在输出处的整流器、被耦合在输入与整流器之间的多个支路、以及控制器。开关电容器转换器的每个支路包括电容器，并且开关器件被连接到每个支路。第一组支路被耦合到整流器的第一分支，并且第二组支路被耦合到整流器的第二分支。控制器在启动之后交替切换第一组支路和第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由第一组支路将能量从输入传递到输出以及在每个切换周期的第二部分期间经由第二组支路将能量传递到接地。控制器或限流源在启动期间提供对电容器中的至少一个的预充电。

Switched Capacitor Converter with Capacitor Precharging

The present disclosure provides a switched capacitor converter with capacitor pre-charging. The switched capacitor converter includes a rectifier at the output, a plurality of branches coupled between the input and the rectifier, and a controller. Each branch of the switched capacitor converter includes a capacitor, and the switching device is connected to each branch. The first group of branches is coupled to the first branch of the rectifier, and the second group of branches is coupled to the second branch of the rectifier. After startup, the controller alternately switches the first group of branches and the second group of branches to transfer energy from input to output through the first group of branches during the first part of each switching cycle and to ground through the second group of branches during the second part of each switching cycle. The controller or current limiting source provides pre-charging of at least one of the capacitors during start-up.

【技术实现步骤摘要】
具有电容器预充电的开关电容器转换器
本申请涉及开关电容器转换器，特别地涉及用于开关电容器转换器的启动控制。
技术介绍
开关电容器转换器是一类电压转换器，其使用电容器提供能量传递和电压转换。开关电容器转换器的每个支路包括电容器，并且开关器件被连接到每个支路以用于控制电容器的充电。在一些实施方式中，一些支路还包括使这些支路谐振的电感器。在任一种情况下，转换器支路的不同组在输出处被耦合到整流器的不同分支。转换器支路的不同组被交替地切换，以将能量从输入传递到输出。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递的能量进行整流。经整流的输出可以被直接地施加到负载，或施加到诸如降压转换器、POL(负载点)转换器等另一转换器级。启动时的初始电容器电压和电感器电流可以是零或不同于稳态值，导致大的尖峰和涌入电流(inrushcurrent)，这对开关器件(特别是最接近输入的开关器件)以及其他组件施以非常高的应力。为了优化开关电容器转换器的电容器、电感器和开关器件的尺寸，应该降低或理想地防止涌入电流。通常，分流电阻器与开关电容器转换器输入串联放置。外部开关与分流电阻并联连接，以在启动后操作期间将分流电阻器旁路。涌入电流被降低，但该方法不适合在启动期间对电容器进行预充电。因此，需要相对高的分流值，这使得启动过程非常慢。需要一种改进的技术来对开关电容器转换器的一个或多个电容器进行预充电。
技术实现思路
根据开关电容器转换器的一个实施例，该转换器包括：输入；输出；在输出处的整流器；被耦合在输入与整流器之间的多个支路，每个支路包括电容器、被耦合到整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到整流器的第二分支的第二组支路；被连接到每个支路的开关器件；以及控制器。该控制器可操作为在启动之后交替切换第一组支路和第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由第一组支路将能量从输入传递到输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由第二组支路将能量传递到接地。该控制器进一步可操作地在启动期间控制开关器件，使得在启动之后以互补方式正常切换的开关器件的组合同时导通以对电容器中的至少一个进行预充电。根据开关电容器转换器的另一实施例，该转换器包括：输入；输出；在输出处的整流器；被耦合在输入与整流器之间的多个支路，每个支路包括电容器、被耦合到整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到整流器的第二分支的第二组支路；被连接到每个支路的开关器件；控制器；以及被耦合在输入与多个支路之间的限流源。该控制器可操作为在启动之后交替切换第一组支路和第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由第一组支路将能量从输入传递到输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由第二组支路将能量传递到接地。限流源可操作为在启动期间对电容器中的至少一个进行预充电。根据开关电容器转换器的又一实施例，该转换器包括：输入；输出；在输出处的整流器；被耦合在输入与整流器之间的多个支路，每个支路包括电容器、被耦合到整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到整流器的第二分支的第二组支路；被连接到每个支路的开关器件；以及控制器。控制器可操作为在启动之后交替切换第一组支路和第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由第一组支路将能量从输入传递到输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由第二组支路将能量传递到接地。该控制器进一步可操作地调整在启动期间被施加到开关器件中的至少一个的栅极到源极电压，以调整至少一个开关器件的导通状态电阻。根据开关电容器转换器的再一实施例，该转换器包括：输入；输出；在输出处的整流器；被耦合在输入与整流器之间的多个支路，每个支路包括电容器、被耦合到整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到整流器的第二分支的第二组支路；被连接到每个支路的开关器件；以及控制器。该控制器可操作为在启动之后交替切换第一组支路和第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由第一组支路将能量从输入传递到输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由第二组支路将能量传递到接地。该控制器进一步可操作为在启动期间以突发模式连续地导通和关断每个开关器件，以最接近输入的开关器件开始并且以距输入最远的开关器件结束。在阅读以下详细描述并查看附图之后，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记指定对应的类似部件。可以组合各种图示实施例的特征，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施例，并且在以下描述中详述。图1图示了具有电容器预充电的开关电容器转换器的一个实施例的框图。图2图示了用于在启动期间实施电容器预充电的定时电路装置的一个实施例的框图。图3图示了具有电容器预充电的开关电容器转换器的另一实施例的框图。图4图示了具有电容器预充电的开关电容器转换器的又一实施例的框图。图5至图9图示了用于在启动期间实施电容器预充电的限流源的相应电路示意图。图10图示了具有电容器预充电的开关电容器转换器的另一实施例的框图。图11和图12图示了用于调整被包括在开关电容器转换器中的至少一个开关器件的导通状态电阻以用于在启动期间实施电容器预充电的电路装置的相应框图。图13图示了用于在开关电容器转换器中实施电容器预充电的PWM信号。具体实施方式在本文中所描述的实施例提供了在启动期间对开关电容器转换器的一个或多个电容器进行预充电，使得从启动到常规(启动后)操作的过渡在最短可能时间内在开关电容器转换器的开关器件和其他组件上发生较小应力。图1图示了在启动期间具有电容器预充电的开关电容器转换器100的一个实施例。开关电容器转换器100具有：被耦合到电压源Vin的输入102、被耦合到负载或其他转换器106的输出104、在输出104处的整流器108和输出电容器Cout、以及被耦合在输入102与整流器108之间的多个支路。经整流的输出电压Vout可以被直接地施加到负载或另一转换器级106，诸如降压转换器、POL(负载点)转换器等。例如，在多级转换器的情况下，输入电压Vin可以在从36V至54V的范围内，并且输出电压Vout可以在从6V至9V的范围内。在每种情况下，用于开关电容器转换器100的控制器110维持转换器支路的适当切换以将能量从输入102传递到输出104。开关电容器转换器100的每个支路包括相应的电容器Cy。支路中一些支路(本文也称为谐振支路)包括被连接到对应电容器Cy的电感器Lx。开关器件Qx被连接到每个支路，以用于控制对电容器Qx进行充电。总共六个支路在图1中示出，其中谐振支路1包括谐振电容器C1和电感器L1，支路2包括飞跨电容器(flyingcapacitor)C2，谐振支路3包括谐振电容器C3和电感器L2，支路4包括飞跨电容器C4，谐振支路5包括谐振电容器C5和电感器L3，以及支路6包括飞跨电容器C6。开关器件Qx可以是分立功率晶体管管芯(芯片)、集成的功率级，集成的功率级至少包括形成单个开关器件的功率晶体管以及对应的驱动器和控制电路装置等。包括谐振电容器C1、C3和C5的(第一)组谐振支路被耦合到整流器108的第一分支112，并且包括飞跨电容器C2、C4和C6的(第二)组非谐振支路被耦合到整流器108的第二分支114。该整流器是开关电容器整流器，其中对于每组支路，AC电流在正常(启动后)操作期间处于相反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容器转换器，包括：输入；输出；整流器，在所述输出处；多个支路，被耦合在所述输入与所述整流器之间，每个支路包括电容器、被耦合到所述整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到所述整流器的第二分支的第二组支路；开关器件，被连接到每个支路；以及控制器，可操作为在启动之后交替切换所述第一组支路和所述第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由所述第一组支路将能量从所述输入传递到所述输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由所述第二组支路将能量传递到接地，其中所述控制器在启动期间可操作地控制所述开关器件，使得在启动之后以互补方式正常地切换的所述开关器件的组合同时导通以对所述电容器中的至少一个电容器进行预充电。

【技术特征摘要】
2017.07.19 US 15/654,2371.一种开关电容器转换器，包括：输入；输出；整流器，在所述输出处；多个支路，被耦合在所述输入与所述整流器之间，每个支路包括电容器、被耦合到所述整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到所述整流器的第二分支的第二组支路；开关器件，被连接到每个支路；以及控制器，可操作为在启动之后交替切换所述第一组支路和所述第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由所述第一组支路将能量从所述输入传递到所述输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由所述第二组支路将能量传递到接地，其中所述控制器在启动期间可操作地控制所述开关器件，使得在启动之后以互补方式正常地切换的所述开关器件的组合同时导通以对所述电容器中的至少一个电容器进行预充电。2.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，进一步包括：测量电路装置，所述测量电路装置被配置为在启动期间感测或估计跨所述电容器中的每个电容器的电压，其中所述控制器可操作为在启动期间当跨被连接到所述开关器件的所述电容器感测到的电压达到所述电容器的预定水平时关断每个所述开关器件，使得被连接到具有较低预定水平的所述电容器的所述开关器件在所述开关器件在启动期间被连接到具有较高预定水平的所述电容器之前被关断。3.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中所述控制器可操作为在启动期间当被分配给所述开关器件的定时器值到期时关断每个所述开关器件，并且其中所述定时器值对应于被连接到所述开关器件的所述电容器的相应的预充电电压。4.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，进一步包括在所述输入与所述多个支路之间的分流电阻器，其中所述控制器可操作为在启动之后旁路所述分流电阻器。5.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中所述控制器可操作为在启动期间导通所述整流器的一个或多个开关器件，以防止所述输出的过度充电。6.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中所述控制器可操作为在启动期间相继地导通所述开关器件，以最接近所述输入的所述开关器件开始并且以距所述输入最远的所述开关器件结束。7.一种开关电容器转换器，包括：输入；输出；整流器，在所述输出处；多个支路，被耦合在所述输入与所述整流器之间，每个支路包括电容器、被耦合到所述整流器的第一分支的第一组支路和被耦合到所述整流器的第二分支的第二组支路；开关器件，被连接到每个支路；控制器，可操作为在启动之后交替切换所述第一组支路和所述第二组支路，以在每个切换周期的第一部分期间经由所述第一组支路将能量从所述输入传递到所述输出，以及在每个切换周期的第二部分期间经由所述第二组支路将能量传递到接地；以及限流源，被耦合在所述输入与所述多个支路之间，并且可操作为在启动期间对所述电容器中的至少一个电容器进行预充电。8.根据权利要求7所述的开关电容器转换器，其中所述限流源可操作为在启动期间对最靠近所述输入的所述电容器进行预充电，并且当跨所述电容器的电压达到预定水平时停止对所述电容器充电。9.根据权利要求7所述的开关电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴巴扎德，R·卡罗尔，J·A·埃尤里，B·唐，
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