可重构开关电容器功率转换器技术制造技术

一种用于将第一电压转换为第二电压的设备包括具有可选择转换增益的可重构开关电容器功率转换器。转换器包括具有电容器的级联倍增器开关电容器网络，电容器中的每一个都电连接至堆叠节点并且连接至相位节点。控制器使网络在第一操作模式与第二操作模式之间转变。在第一模式中，使至少一个电容器与可重构开关电容器功率转换器的电荷传输路径隔离。结果，在第一操作模式中，功率转换器以第一增益操作。在第二模式中，功率转换器以第二转换增益操作。同时，跨至少一个电容器的第三电压自由地采用任何值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请的交叉引用 本申请要求2013年3月15日提交的美国申请第13/839, 315号的优先权，其内容 以引用的方式全部并入本文。
本专利技术主题涉及一种用于重构开关电容器功率转换器的技术。
技术介绍
开关模式功率转换器是特定类型的功率转换器，其通过使用开关网络将储能元件 (即，电感器和电容器）切换为不同电气配置而产生输出电压。开关电容器转换器是主要利 用电容器来传输能量的一类开关模式功率转换器。在这种转换器中，同样已知的是开关电 容器电路，电容器和开关的数量随着转换比或者转换增益增加而增加。具有大于一个转换 增益（即，模式）的开关电容器电路通常称为多模式开关电容器电路。 级联倍增器是可以使用低压晶体管提供高转换增益的多级开关电容器功率转换 器的拓扑一族。如此处使用的，如果开关电容器电路产生大于输入电压或者电流增益的输 入电压，那么转换增益表不电压增益，如果开关电容器电路差产生小于输入电压的输出电 压V0,那么转换增益表示电流增益。通过使级联倍增器网络循环通过不同拓扑状态，来将能 量从输入传输至输出。经由电荷传输路径将电荷从输入电压VI传输至输出电压。在每种 拓扑状态中的电容器的数量和配置对转换增益进行设置。因此，通过重构级联倍增器网络， 可以修改转换增益。 图1A和图1B图示了两个已知的可重构级联倍增器20A、20B，其接收来自电压源 26的输入电压VI，并且向负载RL提供输出电压V0。级联倍增器20A是单相不对称级联倍 增器，该单相不对称级联倍增器包括相位电压P1、二极管D1至D6、栗电容器C1至C3、和dc 电容器C4至C6。相反，级联倍增器20B是对称级联倍增器，该对称级联倍增器包括相位电 压P1和P2、二极管D11至D14、和栗电容器C1至C3。 级联倍增器20A、20B均可以产生是输入电压VI四倍的最大输出电压V0。可以基 于第一使能信号、第二使能信号、和第三使能信号EN1、EN2、EN3来选择转换增益。当第一 使能信号EN1为高时，输出电压V0是输入电压VI的三倍；当第一使能信号和第二使能信号 EN1、EN2为高时，输出电压是输入电压VI的两倍；等等。 遗憾的是，级联倍增器20A、20B中的每一个都需要耦合至栗电容器C1至C3中的 每一个的正极端子的电路和耦合至栗电容器C1至C3中的每一个的负极端子的电路，来重 构网络。另一电路系统降低级联倍增器20A、20B的效率以及/或者需要大旁通晶体管。而 且，栗电容器C1至C3旁通带电为等于输入电压VI减去二极管电压降的电压。例如，当第 一启动信号EN1为高时，栗电容器C1的正极端子偏置为比输入电压VI低一个二极管电压 降的电压，而栗电容器C1的负极端子偏置为接地。 当在电荷传输路径中的电容器的数量改变时，由于电荷守恒定律，在重构事件之 前的总电荷量等于在重构事件之后的总电荷量。这意味着，在重构事件之前在每个电容器 中的电荷在重构事件时重新分布在剩余的电容器中。而且，在重构事件前后跨每个电容器 的电压也与转换增益和输入电压VI成比例地改变。每个电容器电压的极性根据开关电容 器电路的转换增益是增加还是减少来改变。 可重构级联倍增器面临的挑战在于稳健地以高输入电压域或者高输出电压域操 作低压晶体管的设计复杂度。而且，每当转换增益改变时发生的电流和/或电压瞬态对于 输入电磁干扰或者晶体管操作和稳健性可以具有明显影响。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术表征了一种用于将第一电压转换为第二电压的设备。这种 设备包括具有可选择转换增益的可重构开关电容器功率转换器。该可重构开关电容器功率 转换器包括具有多个电容器的第一级联倍增器开关电容器网络，多个电容器中的每一个在 其第一端子处电连接至与电容器相关联的堆叠节点，并且在其第二端子处电连接至与电容 器相关联的相位节点。该多个电容器包括第一外部电容器、第二外部电容器、和在第一外部 电容器与第二外部电容器之间的至少一个内部电容器。多个堆叠开关在来自多个电容器的 相邻电容器的节点之间。控制器使第一级联倍增器开关电容器网络在第一操作模式与第二 操作模式之间转变。在第一操作模式中，使至少一个电容器与可重构开关电容器功率转换 器的电荷传输路径隔离，电荷传输路径在第一电压与第二电压之间延伸。结果，在第一操作 模式中，可重构开关电容器功率转换器以第一转换增益操作，并且在第二操作模式中，可重 构开关电容器功率转换器以第二转换增益操作，并且跨至少一个电容器的第三电压自由地 米用任何值。 在一些实施例中，在操作期间，第三电压在第一电压与第二电压之间。 在设备的实施例中，这些设备还包括预充电电路。该预充电电路配置为将至少一 个电容器充电至特定电压。 在一些实施例中，至少一个电容器是外部电容器。然而，在其他实施例中，至少一 个电容器是内部电容器。 在本专利技术的实施例中还包括这些包括具有用于选择性地旁通至少一个电容器的 开关的开关网络的设备。 在一些实施例中，第一端子是正极端子。 在实施例中，控制器配置为通过断开最多一个端子来隔离至少一个电容器，端子 选自由第一端子和第二端子构成的组。在这些实施例中，存在进一步包括设置为允许电容 器的子组从电荷传输路径断开的一组堆叠开关的实施例，其中，控制器配置为选择性地打 开堆叠开关的子组以便使电容器的子组从电荷传输路径断开，从而重构电荷传输路径。 而其他实施例包括设置为允许电容器的子组从电荷传输路径断开的一组相位开 关，其中，控制器配置为选择性地打开相位开关的子组以便使电容器的子组从电荷传输路 径断开，从而重构电荷传输路径。 另外的实施例包括具有用于提供第一电压的第一外部电路的实施例和具有用于 接收第二电压的第二外部电路的实施例。 在一些实施例中，在多个电容器中的每个电容器在其第二端子处连接至多个相位 节点中的一个对应相位节点。在其他实施例中，电容器中的至少两个连接至公共相位节点。 其他实施例也进一步包括具有多个电容器的第二级联倍增器开关电容器网络，多 个电容器中的每一个都与在第一级联倍增器开关电容器网络中的电容器相对应，由此产生 第一级联倍增器开关电容器网络和第二级联倍增器开关电容器网络是电并联的。在这些实 施例中，存在在第一级联倍增器开关电容器网络和第二级联倍增器开关电容器网络中的对 应电容器连接至在级联堆叠开关之间的公共节点的实施例。 -些实施例包括在相邻电容器之间的级联堆叠开关。在这些实施例中，存在包括 用于控制在相邻电容器之间的节点处的电压的电压钳的实施例、和包括用于控制在相邻电 容器之间的节点处的电压的稳压器的实施例。 另外的实施例包括前述特征的任何组合。 在另一方面中，本专利技术表征了一种用于将第一电压转换为第二电压的设备。这种 设备包括具有可选择转换增益的可重构开关电容器功率转换器。可重构开关电容器功率转 换器包括多个开关元件，多个开关元件配置为在连续状态下将电容器彼此电互连以及/或 者电互连至第一电压或者第二电压。这些开关元件配置为将至少一些电容器通过开关元件 彼此互连。设备还包括用于使可重构开关电容器功率转换器在第一操作模式与第二操作模 式之间转变的控制器。控制器配置为使由从第一模式转变到第二模式引起的电瞬态最小 化。结果，在第一操作模式中，可重构开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将第一电压转换为第二电压的设备，所述设备包括具有可选择转换增益的可重构开关电容器功率转换器，所述可重构开关电容器功率转换器包括具有多个电容器的第一级联倍增器开关电容器网络，所述多个电容器中的每一个在其第一端子处电连接至与所述电容器相关联的堆叠节点，并且在其第二端子处电连接至与所述电容器相关联的相位节点，所述多个电容器包括第一外部电容器、第二外部电容器、在所述第一外部电容器与所述第二外部电容器之间的至少一个内部电容器、在来自多个电容器的相邻电容器的节点之间的多个堆叠开关、和用于使所述第一级联倍增器开关电容器网络在第一操作模式与第二操作模式之间转变的控制器，其中，在所述第一操作模式中，使至少一个电容器与所述可重构开关电容器功率转换器的电荷传输路径隔离，所述电荷传输路径在所述第一电压与所述第二电压之间延伸，从而在所述第一操作模式中，所述可重构开关电容器功率转换器以第一转换增益操作，并且在所述第二操作模式中，所述可重构开关电容器功率转换器以第二转换增益操作，并且从而跨所述至少一个电容器的第三电压自由地采用任何值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾晨·洛，大卫·M·朱利亚诺，格雷戈里·什塞辛斯基，杰夫·萨梅特，奥斯卡·布莱德，
申请(专利权)人：北极砂技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US