电力转换器电路中开关电容器的软充电制造技术

开关电容器功率转换器包括：默认切换路径中的多个开关晶体管；和辅助软充电旁路电路，包括一个或多个辅助晶体管和阻抗元件，并通过辅助晶体管提供辅助电路路径以当辅助软充电旁路电路被激活并且至少有一个开关晶体管失活时对转换器电路内的多个电容器进行充电。相应的控制电路将转换器电路从软充电模式切换到可操作模式，在软充电模式中辅助软充电旁路电路激活和开关晶体管失活，在可操作模式中辅助软充电旁路电路失活，和控制电路周期性切换软充电模式期间的一个或多个辅助晶体管以代替失活的开关晶体管。

【技术实现步骤摘要】
电力转换器电路中开关电容器的软充电
本公开一般涉及开关电容器装置，并且更具体地涉及在开关电力转换器电路中启动对这种电容器装置的充电。
技术介绍
开关电容器DC-DC转换器可以成为基于电感的DC-DC转换器的有用和有利的替代方案。开关电容器DC-DC转换器的优点包括低得多的电磁感应(EMI)噪声、较低的元件高度、较小的器件体积、较高的工作效率和较高的功率密度。开关电容器DC-DC转换器的缺点在于，在上电或快速输入电压瞬变期间，其中的飞跨电容器和负载电容器可通过一个或多个开关充电晶体管吸收高涌入电流。这样的电流可以表现出可以缩短开关充电晶体管的平均寿命或损坏晶体管的量值。一种用于减少开关电路中的浪涌电流的技术包括在开关电容器DC-DC转换器内插入一个或多个专用电流源，以在启动时提供预充电电流的直接馈送给飞行和输出电容器、主开关晶体管开启。该技术的一个缺点可能包括由于输出电容器较大而导致的持续时间较长的预充电时间，对电流源开关晶体管尺寸的实际限制或两者兼而有之。而且，在电容器的预充电期间，开关DC-DC转换器可能不能够提供足够的负载电流。用于减少开关电路中的浪涌电流的另一种技术包括添加“热插拔”输入转换器以将输入电压(例如，在上电产生的步骤)的阶跃增加转换为缓慢的斜升电压。这种技术需要额外的输入串联功率晶体管，具有较高的安全操作面积和较大的尺寸。因此，热插拔输入转换器可能会增加显着的传导损耗，并且可能以高解决方案成本占用显着的电路板空间。因此，在上电或快速输入电压瞬变期间，需要一种有效限制开关晶体管上的浪涌电流的机制，而不会增加大量的功率损耗、解决方案尺寸、成本和复杂性。专利技术概述开关电容器功率转换器包括：默认切换路径中的多个开关晶体管；和辅助软充电旁路电路，包括一个或多个辅助晶体管和阻抗元件，并通过辅助晶体管提供辅助电路路径以当辅助软充电旁路电路被激活并且至少有一个开关晶体管失活时对转换器电路内的多个电容器进行充电。相应的控制电路将转换器电路从软充电模式切换到可操作模式，在软充电模式中辅助软充电旁路电路激活和开关晶体管失活，在可操作模式中辅助软充电旁路电路失活，和控制电路周期性切换软充电模式期间的一个或多个辅助晶体管以代替失活的开关晶体管。根据多个实施方案的开关电容器功率转换器包括：多个电容器；多个开关晶体管，被布置为当根据开关周期进行切换(例如开和关)时从电压源对所述多个电容器进行充电并对所述多个电容器放电以向负载提供调节的功率。切换的功率转换器包括辅助软充电旁路电路。辅助软充电旁路电路包括一个或多个辅助晶体管和阻抗元件，并且通过所述阻抗元件提供与所述多个开关晶体管的第一开关晶体管并联的辅助电路路径，以在所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活时对所述多个电容器充电。开关电容器功率转换器还可包括：控制电路，被配置为从(2)软充电模式切换到(1)可操作模式，在所述可操作模式中所述辅助软充电旁路电路失活，并且根据开关周期所述多个开关晶体管进行切换，在所述软充电模式中所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活，并且根据开关周期所述一个或多个辅助晶体管进行切换(例如通过控制电路)替换所述多个开关晶体管中的一个或多个。在一些实施方案中，系统包括：包括开关电容器功率转换器的电源。开关电容器功率转换器可包括：第一电路中的多个电容器；所述第一电路中的第一多个开关晶体管，在被激活时将所述多个电容器串联连接；设置在所述第一电路中的第二多个开关晶体管，在被激活时将所述多个电容器并联连接，其中在被激活时，所述第一多个开关晶体管的第一开关晶体管或所述第二多个开关晶体管的第二开关晶体管向所述多个电容器中的至少一个提供默认电路路径；辅助软充电旁路电路包括阻抗元件，并且在被激活时提供通过所述阻抗元件到所述多个电容器中的至少一个的替代路径；和控制电路，被配置为在(1)软充电模式和(2)可操作模式之间切换，在所述软充电模式中，在默认切换路径失活时替代路径被周期性激活，并且在所述可操作模式中，在所述替代路径失活时所述默认切换路径被周期性激活，以从电压源对所述多个电容器进行充电并对所述多个电容器进行放电，从而向负载提供调节的功率。在一些实施方案中，开关电容器功率转换器包括：构件，用于在电压源与负载之间建立默认切换路径，以基于开关周期向所述负载提供调节的功率；构件，用于通过并联于所述默认切换路径的一部分的阻抗元件提供辅助开关路径，以基于所述开关周期对所述默认切换路径中的一个或多个电容器进行充电；和构件，用于在软充电模式和可操作模式之间切换，在所述软充电模式中，所述辅助开关路径能够进行和所述默认切换路径不能进行，并且在所述可操作模式中，所述辅助开关路径不能进行所述默认切换路径能够进行，所述辅助开关路径响应于转换器的上电或者来自电压源的快速输入电压瞬变而能够进行，并且当一个或多个电容器上的电荷达到阈值电荷时所述默认切换路径切换到能够进行。本文公开的其他方面包括用于实施包括辅助软充电旁路电路的开关电容器功率转换器的相应方法、系统、设备和电子装置产品。应该理解，根据下面的详细描述，其他配置对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中各种示例性配置和实施方式以示例方式示出和描述。附图简述呈现附图以帮助描述示例方面，并且提供附图仅用于说明实施例而不是限制其实施例。图1是示例性软充电电路的图。图2A和2B示出了图1的电路的两个示例性工作模式的各个电路路径。图2A描述了在初始加电时电路的操作。图2B描述了启动阶段之后电路的操作。图3是实现辅助脉宽调制器的示例性软充电电路的图。图4是示例性软充电开关电容器转换器的图，包括辅助旁路软充电电路。图5A和5B示出了与图4的电路相关联的示例性操作模式的各个电路路径。图6示出了第一示例性控制信号以及在将控制信号应用于图4所示的示例性软充电开关电容器转换器的模型的第一仿真中获得的结果。图7示出了第二示例性控制信号以及在将控制信号应用于图4所示的示例性软充电开关电容器转换器的模型的第二仿真中获得的结果。图8A、8B和8D是示出包括多开关晶体管旁路软充电电路的软充电开关电容器转换器的示例性实施方式的图。图8C说明图8B中所示的示例性实施的示例性控制信号。图9A和9B是说明软充电开关电容器升压转换器的示例性实施的示意图，包括辅助旁路软充电电路。图10示出了将控制信号应用于图9所示的软充电开关电容器转换器模型的仿真中得到的示例性控制信号和结果。图11A至11D是示例性梯型、迪克森型、斐波那契型和串并联型软充电开关电容器转换器的示意图。图11E是示例性辅助旁路软充电电路在示例性较高的n次转换器电路中使用的图。图11F是用于示例性高n次转换器电路的多开关晶体管旁路软充电电路的图。图12A和12B示出了利用多开关晶体管旁路软充电电路的示例性转换器电路。图12A示出了利用多开关晶体管旁路软充电电路的示例性开关电容器Dickson型转换器电路。图12B示出了利用多路开关晶体管旁路软充电电路的示例性共振型迪克森变换器电路。图13A至图13E是具有改进的L/C输出的梯形、Dickson型、Fibonacci型，串并联型和分压器型开关电容器转换器的示例性实施方式的图。图14A和14B是辅助旁路软充电电路用于具有电感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容器功率转换器，包括：多个电容器；多个开关晶体管，被布置为当根据开关周期进行切换时从电压源对所述多个电容器进行充电并对所述多个电容器放电以向负载提供经调节的电力；辅助软充电旁路电路，包括一个或多个辅助晶体管和阻抗元件，并且通过所述阻抗元件提供与所述多个开关晶体管的第一开关晶体管并联的辅助电路路径，以在所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活时对所述多个电容器充电；和控制电路，被配置为从(2)软充电模式切换到(1)可操作模式，在所述可操作模式中所述辅助软充电旁路电路失活，并且根据开关周期所述多个开关晶体管进行切换，在所述软充电模式中所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活，并且根据开关周期所述一个或多个辅助晶体管进行切换替换所述多个开关晶体管中的一个或多个。

【技术特征摘要】
2017.06.12 US 62/518,338;2017.09.22 US 15/713,3481.一种开关电容器功率转换器，包括：多个电容器；多个开关晶体管，被布置为当根据开关周期进行切换时从电压源对所述多个电容器进行充电并对所述多个电容器放电以向负载提供经调节的电力；辅助软充电旁路电路，包括一个或多个辅助晶体管和阻抗元件，并且通过所述阻抗元件提供与所述多个开关晶体管的第一开关晶体管并联的辅助电路路径，以在所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活时对所述多个电容器充电；和控制电路，被配置为从(2)软充电模式切换到(1)可操作模式，在所述可操作模式中所述辅助软充电旁路电路失活，并且根据开关周期所述多个开关晶体管进行切换，在所述软充电模式中所述辅助软充电旁路电路激活和所述第一开关晶体管失活，并且根据开关周期所述一个或多个辅助晶体管进行切换替换所述多个开关晶体管中的一个或多个。2.权利要求1所述的开关电容器功率转换器，其中所述控制电路被配置为响应于转换器的上电或来自电压源的快速输入电压瞬变而切换到所述软充电模式，并且当所述多个电容器的相应电容器达到阈值电荷时切换到所述可操作模式。3.权利要求2所述的开关电容器功率转换器，其中所述阻抗元件是电阻器或电感器，并且其中，当所述控制电路处于所述软充电模式时，所述多个电容器在彼此并联连接之间切换，并与所述电压源和地之间的电阻器或电感器串联连接。4.权利要求3所述的开关电容器功率转换器，其中所述多个开关晶体管串联连接在所述电压源和地之间，并且其中所述多个电容器包括在连结所述多个开关晶体管中的两个的节点处连接到所述负载的输出电容器，并且其中提供给所述负载的调节的功率基于所述电压源的电压的部分。5.权利要求3所述的开关电容器功率转换器，其中所述多个开关晶体管串联连接在负载和地之间，并且其中所述多个电容器包括连接到所述负载的输出电容器，并且其中提供给所述负载的调节的功率基于所述电压源的电压的倍数。6.权利要求3所述的开关电容器功率转换器，还包括：飞行感应器，其中当所述多个开关晶体管切换时，所述飞行感应器与所述多个电容器中的两个串联连接。7.权利要求2所述的开关电容器功率转换器，其中所述一个或多个辅助晶体管包括串联连接的第一和第二辅助晶体管，所述控制电路在软充电模式期间切换所述第二辅助晶体管，以补充所述第一辅助晶体管的切换以及代替所述多个开关晶体管的第二开关晶体管。8.权利要求7所述的开关电容器功率转换器，其中所述阻抗元件连接在连结第一和第二辅助晶体管的第一节点和连结第一和第二开关晶体管的第二节点之间。9.权利要求7所述的开关电容器功率转换器，其中所述辅助软充电旁路电路还包括：与所述第二辅助晶体管串联的第二阻抗元件，当所述辅助软充电旁路电路被激活并且所述第二开关晶体管失活时，提供通过所述第二阻抗元件并且并联所述第二开关晶体管的第二电路路径，以缓冲所述多个电容器之间的电流流动。10.系统，包括：包括开关电容器功率转换器的电源，其中所述开关电容器功率转换器包括：第一电路中的多个电容器；所述第一电路中的第一多个开关晶体管，在被激活时将所述多个电容器串联连接；设置在所述第一电路中的第二多个开关晶体管，在被激活时将所述多个电容器并联连接，其中在被激活时，所述第一多个开关晶体管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲东，黎坚，
申请(专利权)人：凌力尔特科技控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US