具有调节电路和开关网络的灵活的电能转换器结构制造技术

一种用于处理电能的装置包括电能转换器，该电能转换器具有用于电能在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间流动的路径。在运行期间，该第一电能转换器端子和第二电能转换器端子各自保持在第一电压和第二电压。在该路径配置有调节电路和开关网络。该第一调节电路包括磁性存储元件和第一调节电路端子。该第一调节电路端子连接至该第一开关网络端子。该开关网络在第一开关配置与第二开关配置之间转换。在该第一开关配置中，电荷以第一速率在该第一电荷存储元件中聚集。相反地，在该第二开关配置中，电荷以第二速率从该第一电荷存储元件中耗尽。这些速率由磁性存储元件限制。

Flexible power converter structure with regulating circuit and switching network

A device for processing electric energy includes an electric energy converter, and the electric energy converter has a path for electric energy flowing between the terminals of the first electric energy converter and the second power converter terminals. During operation, the first electrical energy converter terminal and the second power converter terminal are respectively maintained at the first voltage and the second voltage. The path is configured with a regulating circuit and a switching network. The first adjustment circuit includes a magnetic storage element and a first regulating circuit terminal. The first adjustment circuit terminal is connected to the first switch network terminal. The switch network converts between the first switch configuration and the second switch configuration. In the first switch configuration, the charge is gathered at the first rate in the first charge storage element. In contrast, in the second switch configuration, the charge is exhausted from the first charge storage element at a rate of second. These rates are limited by magnetic storage elements.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有调节电路和开关网络的灵活的电能转换器结构相关文件的交叉引用本申请要求2015年3月13日提交的美国临时申请No.62/132,701的优先权日期的权益。上述申请的内容被完整地结合于此。
本公开涉及电源，并且尤其涉及电能转换器。
技术介绍
许多电能转换器包括多个开关以及一个或多个电容器，用于例如向便携式电子器件以及消费类电子产品供电，开关式电能转换器使用开关网络，通过将储能元件(例如，电感器和电容器)切换为不同的电气配置，从而调节输出电压和电流。开关电容器转换器为开关式电能转换器，其主要使用电容器转移能量。在这样的转换器中，电容器和开关的数量随着转换比的增加而增加。开关网络中的开关通常为由晶体管实现的有源器件。开关网络可以集成于单个或多个单片半导体衬底上，或使用分立器件形成。典型的直流-直流(DC-DC)转换器进行电压转换和输出调节。通常是在例如降压转换器的这样的单级转换器中实现。但是，也可将这两个功能分成两个专门的级，即，转换级(例如，开关网络)和单独的调节级(例如，调节电路)。转换级将一个电压转换成另一个电压，而调节级确保转换级的电压和/或电流输出保持期望的特性。专利技术概要在一方面，本专利技术的特征在于用于处理电能的装置。此装置包括电能转换器，该电能转换器具有用于电能在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间流动的路径，该第一电能转换器端子与第二电能转换器端子在该电能转换器运行期间保持在相应的第一电压和第二电压。该第二电压小于该第一电压。第一调节电路和开关网络都在该电能路径上。该开关网络包括第一电荷存储元件、第一开关网络端子和第二开关网络端子。第一调节电路包括第一磁性存储元件和第一调节电路端子。该电能路径包括该第一调节电路端子、该第一开关网络端子和该第二开关网络端子，该第一调节电路端子连接至第一开关网络端子。该开关网络在第一开关配置与第二开关配置之间转换。在第一开关配置中电荷以第一速率在第一电荷存储器元件中聚集，以及在第二开关配置中电荷以第二速率从该第一电荷存储元件中耗尽。该第一磁性存储元件限制这两个速率。在一些情况下，该限制为使速率相同，而其它情况下速率不同。某些实施例还包括配置在该路径上的第二调节电路。在这些实施例中，该第二调节电路包括也在该电能路径上的第二调节电路端子。此第二调节电路端子连接至该第二开关网络端子。在某些实施例中，该开关网络进一步包括第二电荷存储元件。将该开关网络放置在第一开关配置中使电荷以第一速率从该第二电荷存储元件中耗尽。将该开关网络放置在第二配置中使电荷以第二速率在该第二电荷存储元件中聚集。该第一磁性存储元件限制这两个速率。在这些具有第二调节电路的实施例中，其中该第二调节电路包括第二磁性存储元件和连接至该第二磁性存储元件的开关，该开关控制为在至少两个开关配置之间切换。还是在这些实施例中，该第二调节电路还包括反馈回路，用于响应于测得的该电能转换器的输出来控制该开关的运行。在其它实施例中，该第一磁性存储元件包括滤波器。在这些实施例中，该滤波器具有谐振频率。在这些具有两个调节电路的实施例中，其具有第三调节电路。在这些实施例的某些实施例中，该第三调节电路连接至该开关网络并具有与该电感器耦合的电感器。并且该第二调节电路包括与该第三调节电路的电感器耦合的电感器。在其它实施例中，该第三调节电路连接至该开关网络，并且第二调节电路和第三调节电路都包括共用同一个电感器芯的电感器。在具有耦合电感器的实施例中，该电感器可以耦合以使得在两个电感器生成的电压和电路具有相同的符号或相反的符号。该专利技术可以使用许多种开关网络来实施。例如在某些实施例中，该开关网络包括可重配置的开关网络。如这里使用的重配置开关网络具有开关配置组{α1,α2…αn}，其中n>2，开关网络被配置为，对于所有的m和n，在αb与αn之间转换。在其它实施例中，它包括多相开关网络。在其它实施例中，它包括多相多级开关网络或多级开关网络。仍然在其它实施例中，它具有包括级联乘法器的开关网络。该专利技术还可以使用许多种调节电路来实施。这些调节电路包括双向调节电路、多相调节电路、开关模式电能转换器、谐振电能转换器、降压转换器、升压转换器、降/升压转换器、线性调节器、Cuk转换器、反激转换器(Fly-backconverter)、正向转换器、半桥转换器、全桥转换器、磁性存储元件和磁性滤波器。在某些实施例中，该开关网络在其输入端接收电荷并在其输出端输出电荷。在这些实施例中，电荷从输入到输出的传输在多个开关周期进行。在那些特征为反激转换器的实施例中，包括准谐振反激转换器、有源钳位反激转换器、交叉反激转换器或双开关反激转换器。在那些特征为正向转换器的实施例中，可以包括多谐振正向转换器、有源钳位正向转换器、交叉正向转换器或双开关正向转换器。在包括半桥转换器的实施例中，包括非对称半桥转换器、多谐振半桥转换器或LLC谐振半桥。该专利技术不限于直流电(Directcurrent,DC)应用。例如，在某些实施例中，该开关网络为交流电(Alternatingcurrent,AC)开关网络。这些实施例包括具有连接至AC开关网络的功率因数校正电路的实施例。在这些实施例中，其中该功率因数校正电路处于该AC开关网络与该第一调节电路之间。在某些实施例中，该电能转换器以该第一调节电路和该第二调节电路中的至少一个的开关配置发生改变的频率不同的频率，来改变该开关网络的开关配置。在其它实施例中，该开关网络包括具有多个DC节点的非对称级联乘法器，该多个DC节点中的每一个能够以该第一电压的倍数的电压传送电能。其它实施例包括功率管理集成电路，该功率管理集成电路中包含多个调节电路。在这些实施例中，该电能路径包括电能路径部分，该电能路径部分从该功率管理集成电路延伸出来并进入到该开关网络中。其它实施例包括具有不同物理面积的开关。还在某些实施例中，其中选择这些开关的开关宽度，以使得电荷在该开关网络的电荷存储元件之间的电荷转移的时间常数大于或等于该开关网络改变状态时的开关频率。另外其他实施例通过具有更高的电阻的开关来提高效率。在这些实施例中，该开关网络被配置为在该开关网络的开关频率下，该开关的电阻的增加减少了该开关网络内流动的电流相关的损耗。该装置的各种组件不需要共享接地。实际上，一个接地可以相对于另一个浮置。在某些实施例中，作为实例，第一调节电路接收第一电压差，第二电能转换器端子输出第二电压差。第一电压差是第一电压与小于该第一电压的第二电压之间的差；第二电压差是第三电压与小于该第三电压的第四电压之间的差。在这些实施例中，该第四电压与第二电压之间的差不为零。在其它实施例中，该第一调节电路接收DC电压差，以及该电能转换器接收AC电压差。该DC电压是第一电压与小于该第一电压的第二电压之间的差；该AC电压差是时变电压与恒定电压之间的差。该恒定电压与该第二电压的差不为零。在另一方面，本专利技术的特征在于使电能转换器处理电能的方法。此方法包括在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间用于电能流动的电能路径上，连接第一调节电路的第一调节电路端子至第一开关网络的第一开关网络端子；将该第一开关网络放置在用于允许电荷在该第一开关网络的第一电荷存储元件中聚集的配置中；通过第一调节电路中的第一磁性存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理电能的装置，所述装置包括电能转换器，所述电能转换器具有用于电能在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间流动的路径；其中，在所述电能转换器运行期间，所述第一电能转换器端子保持在第一电压，所述第二电能转换器端子保持在小于所述第一电压的第二电压；其中，所述电能转换器包括第一调节电路和开关网络，所述第一调节电路和开关网络都设置在所述路径上；其中，所述开关网络包括多个开关、第一电荷存储元件、第一开关网络端子和第二开关网络端子；其中，所述第一调节电路包括第一磁性存储元件和第一调节电路端子，其中，所述电能路径包括所述第一调节电路端子、所述第一开关网络端子和所述第二开关网络端子；其中，所述第一调节电路端子连接至所述第一开关网络端子，其中，所述开关网络被配置为在第一开关配置与第二开关配置之间转换；其中，当所述开关网络处于所述第一开关配置时，电荷以第一速率在所述第一电荷存储元件中聚集；其中，当所述开关网络处于所述第二开关配置时，电荷以第二速率从所述第一电荷存储元件中耗尽；以及其中，所述第一速率和所述第二速率由所述第一磁性存储元件限制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.13 US 62/132,7011.一种用于处理电能的装置，所述装置包括电能转换器，所述电能转换器具有用于电能在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间流动的路径；其中，在所述电能转换器运行期间，所述第一电能转换器端子保持在第一电压，所述第二电能转换器端子保持在小于所述第一电压的第二电压；其中，所述电能转换器包括第一调节电路和开关网络，所述第一调节电路和开关网络都设置在所述路径上；其中，所述开关网络包括多个开关、第一电荷存储元件、第一开关网络端子和第二开关网络端子；其中，所述第一调节电路包括第一磁性存储元件和第一调节电路端子，其中，所述电能路径包括所述第一调节电路端子、所述第一开关网络端子和所述第二开关网络端子；其中，所述第一调节电路端子连接至所述第一开关网络端子，其中，所述开关网络被配置为在第一开关配置与第二开关配置之间转换；其中，当所述开关网络处于所述第一开关配置时，电荷以第一速率在所述第一电荷存储元件中聚集；其中，当所述开关网络处于所述第二开关配置时，电荷以第二速率从所述第一电荷存储元件中耗尽；以及其中，所述第一速率和所述第二速率由所述第一磁性存储元件限制。2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括设置在所述路径上的第二调节电路，其中，所述第二调节电路包括第二调节电路端子，其中所述电能路径包括所述第二调节电路端子，并且其中，所述第二调节电路端子连接至所述第二开关网络端子。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络进一步包括第二电荷存储元件，其中，当所述开关网络处于所述第一开关配置时，电荷以第一速率从所述第二电荷存储元件中耗尽；以及其中，当所述开关网络处于第二配置时，电荷以第二速率在所述第二电荷存储元件中聚集，其中，所述第一速率和所述第二速率均由所述第一磁性存储元件限制。4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二调节电路包括第二磁性存储元件和连接至所述第二磁性存储元件的开关，所述开关可控地在至少两个开关配置之间切换。5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二调节电路进一步包括用于响应于测得的所述电能转换器的输出来控制所述开关的操作的反馈回路。6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一磁性存储元件包括滤波器。7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一磁性存储元件包括滤波器，并且其中，所述滤波器具有谐振频率。8.根据权利要求2所述的装置，进一步包括第三调节电路，其中，所述第三调节电路连接至所述开关网络，其中，所述第三调节电路包括电感器，并且其中，所述第二调节电路包括与所述第三调节电路的所述电感器耦合的电感器。9.根据权利要求2所述的装置，进一步包括电感器芯和第三调节电路，其中，所述第三调节电路连接至所述开关网络，其中，所述电感器芯被所述第三调节电路中的电感器和所述第二调节电路中的电感器共享。10.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一速率和所述第二速率是相等的。11.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括可重配置的开关网络，其中，所述可重配置的开关网络具有开关配置组{α1,α2…αk}，其中k>2，所述开关网络被配置为，对于整数集{1,2…k}中的所有m和n，在αb与αn之间转换。12.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括多相开关网络。13.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括多相串并联切换网络。14.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括多相多级开关网络。15.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括在输入端接收电荷并在输出端输出所述电荷的开关网络，其中，电荷从所述输入端到所述输出端的传输在n个开关周期中进行，其中，n>1。16.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括多级开关网络。17.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个包括双向调节电路。18.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个包括多相调节电路。19.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个包括开关模式电能转换器。20.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个包括谐振电能转换器。21.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个包括磁性滤波器。22.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络被配置为AC开关网络。23.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络被配置为AC开关网络，所述装置进一步包括连接至所述AC开关网络的功率因数校正电路。24.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络被配置为AC开关网络，其中，所述装置进一步包括连接至所述AC开关网络的功率因数校正电路，并且其中，所述功率因数校正电路连接在所述AC开关网络与所述第一调节电路之间。25.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电能转换器被配置为以与所述第一调节电路和所述第二调节电路中的至少一个的开关配置发生改变的频率不同的频率，来改变所述开关网络的开关配置。26.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络包括级联乘法器，其中所述级联乘法器为具有多个DC节点的非对称级联乘法器，所述多个DC节点中的每一个能够以所述第一电压的倍数的电压传送电能。27.根据权利要求2所述的装置，进一步包括功率管理集成电路，所述功率管理集成电路中包含多个调节电路，其中，所述电能路径包括电能路径部分，所述电能路径部分从所述功率管理集成电路延伸出来并进入到所述开关网络中。28.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关包括具有第一面积的第一开关和具有第二面积的第二开关，其中，所述第一面积大于所述第二面积。29.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电能转换器被配置为以开关频率来改变所述开关网络的开关配置，其中，所述开关中的每一个都具有开关宽度，并且其中，选择所述开关的所述开关宽度，以使得在所述开关网络中的电荷存储元件之间的电荷转移的时间常数大于等于所述开关频率。30.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电能转换器被配置为以开关频率来改变所述开关网络的开关配置，其中，所述开关网络被配置为，在所述频率下，所述开关的电阻的增大减少了与在所述开关网络内流动的电流相关的损耗。31.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络被配置为AC开关网络，其中，所述第一调节电路接收第一电压，其中，所述第二电能转换器端子输出第二电压差，其中，所述第一电压差是第一电压与小于所述第一电压的第二电压之间的差，其中，所述第二电压差是第三电压与小于所述第三电压的第四电压之间的差，并且其中，所述第四电压与所述第二电压的差不为零。32.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述开关网络被配置为AC开关网络，其中，所述第一调节电路接收DC电压差，其中，所述电能转换器接收AC电压差，其中，所述DC电压是第一电压与小于所述第一电压的第二电压之间的差，其中，所述AC电压差是时变电压与恒定电压之间的差，并且其中，所述恒定电压与所述第二电压的差不为零。33.一种使电能转换器处理电能的方法，所述方法包括在第一电能转换器端子与第二电能转换器端子之间用于电能流动的电能路径上，连接第一调节电路的第一调节电路端子至第一开关网络的第一开关网络端子；将所述第一开关网络放置在允许电荷在所述第一开关网络的所述第一电荷存储元件中聚集的配置中；通过所述第一调节电路中的第一磁性存储元件，使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·朱利亚诺，
申请(专利权)人：佩里格林半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US