开关电容转换器、用于转换电压电平的方法和电气系统技术方案

提供了一种开关电容转换器(SCC)、用于SCC内的电压转换的方法和电气系统。SCC包括级联在一起的多个开关级。每个开关级包括两个并联连接的半桥。每个半桥具有在开关节点处连接的高侧开关和低侧开关。每个开关级的每个半桥的开关节点经由电容器耦接到一些其他开关级的相应开关节点。开关被控制成使得在第一间隔期间，附接到每个开关级的A相电容器充电，而B相电容器放电。在第二间隔期间，B相电容器充电，而A相电容器放电。通过如此交替间隔，耦接到每个开关级的电容器之一几乎总是放电，使得它可以向SCC的输出端或一些相邻的开关级提供电流。

Switched Capacitor Converter, Method for Converting Voltage Level and Electrical System

【技术实现步骤摘要】
开关电容转换器、用于转换电压电平的方法和电气系统
本申请涉及一种开关电容转换器，该开关电容转换器包括级联在一起的多个开关级，其中每个开关级具有至少两个交错式半桥。
技术介绍
将直流(DC)切换到DC电压的转换器用于各种应用中，以将输入电压处的电力转换成期望输出电压处的电力。使用这样的电压转换器用于为电池充电器、计算机、电视和许多其他电子设备供电。电压转换器可以将输入电压降低或升高固定的转换因子(例如，2：1、4：1、1：3)，以用于电压转换器的负载不需要调节的应用。开关电容转换器(SCC)代表可以基于这样的固定转换因子来转换电压的一类电压转换器。SCC至少与包括典型调节电压转换器的许多其他电压转换器类型相比以低阻抗和高效率运行。SCC不需要庞大的磁性元件(例如，电感器或变压器)，其导致SCC的潜在高功率密度。此外，SCC的开关控制相当简单，特别是与调节电压转换器相比时更是如此，并且SCC的开关控制不需要通常由用于调节电压转换器的控制器所需的测量传感器。典型的SCC通过使用开关来操作以在若干链路电容器之间传输能量。开关和链路电容器可以被划分为第一组和第二组，并且SCC的开关周期可以被划分为第一相间隔和第二相间隔。在切换间隔的第一相期间，第一组开关导通，使得电荷从输入端或第二组电容器传递到第一组电容器。在切换间隔的第二相期间，第二组开关导通，使得电荷(能量)从第一组电容器传递到第二组电容器并传递到输出端及其相关联的输出电容器。通过在切换间隔的第一阶段和第二阶段期间发生的第一组电容器和第二组电容器之间的这些能量传递，使电力从SCC的输入端流向输出端。SCC的链路电容器的尺寸必须使得它们能够存储在切换间隔的第一阶段和第二阶段内提供的电荷，并且在电荷转移期间具有最小的损耗。此外，输出电容的大小必须使SCC输出端处的任何电压纹波都在可接受的范围内。这些要求导致电容器具有相当高的电容和相关联的大尺寸，使得电容器包括由SCC消耗的大部分面积(和体积)。期望减小SCC内的电容器的尺寸的电路拓扑和相关技术。
技术实现思路
根据开关电容转换器(SCC)的实施方式，SCC包括：输入端、输出端、被级联在一起的至少两个开关级、第一电容器和第二电容器，以及控制器。至少第一开关级和第二开关级均包括第一半桥和第二半桥。每个第一半桥包括在第一开关节点耦接到第一低侧开关的第一高侧开关。每个第二半桥包括在第二开关节点处耦接到第二低侧开关的第二高侧开关。第一半桥和第二半桥彼此并联连接。第一电容器将第一开关级的第一开关节点耦接到第二开关级的第一开关节点，而第二电容器将第一开关级的第二开关节点耦接到第二开关级的第二开关节点。控制器被配置成生成第一开关控制信号和第二开关控制信号。第一开关控制信号控制每个开关级的第一高侧开关。而第二开关控制信号控制每个开关级的第二高侧开关。根据电气系统的实施方式，电气系统包括如上所述的开关电容转换器(SCC)。电气系统还包括负载，该负载电耦合到输出端并且由SCC供电。根据一种方法的实施方式，在该方法中，在诸如如上所述的开关电容转换器(SCC)内转换电压。该方法开始于如下步骤：将开关级中的每一个的第一高侧开关和第二低侧开关在第一导通间隔内导通，以对第一电容器充电并且对第二电容器放电。接下来，在第一死区时间间隔内关断开关。接下来是如下步骤：将开关级中的每一个的第一低侧开关和第二高侧开关在第二导通间隔内导通，以对第二电容器充电并且对第一电容器放电。接下来，在第二死区时间间隔内关断开关。根据需要重复进行这些步骤以将输入电压转换为输出电压。通过阅读以下详细描述并查看附图，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图中的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。各个示出的实施方式的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘并且在以下描述中详述实施方式。图1示出了具有两个开关级的开关电容转换器的示意图，其中，每个开关级包括两个半桥；图2示出了如在图1中所包括的对应于自举开关驱动器的电路；图3A和图3B分别示出了针对第一导通间隔和第二导通间隔的开关电容转换器(例如图1中所示的开关电容转换器)的开关级内的电力回路；图4示出了开关电容转换器(例如图1中所示的开关电容转换器)内的电压和电流波形；图5A和图5B分别示出了用于开关电容转换器的降压和升压工作模式以及可以耦合到开关电容转换器的相关输入电源和负载；图6A和图6B示出了使用负载相关的信号生成的开关电容转换器的开关控制信号定时和相关联的输出电压波形；图7示出了类似于图1的开关电容转换器，但该开关电容转换器也在开关级之间磁性地传递电力；图8A和图8B示出了具有四个开关级并且分别以降压和升压模式工作的开关电容转换器；图9示出了用于在开关电容转换器内使用交错式半桥在开关级之间传输电力的方法。图10示出了包括交错式半桥的三级开关电容转换器内的电力回路。具体实施方式本文描述的实施方式提供用于根据固定转换比率使输入电压升高或降低的电路和方法。所描述的电路拓扑采用至少两个开关级的级联布置，其中，至少一个开关级耦接到输入端，并且至少一个开关级耦接到输出端。每个开关级内的开关被切换，以便使用链路(linking)电容器通过转换器传输电力，使得输出端处的电压相对于输入电压逐步升高或降低。与标准的开关电容转换器(SCC)不同，下面描述的电路和技术在每个开关级内使用不止一个半桥，并且在这些半桥内的开关被交错控制，以将电力从输入端传输到输出端。对半桥开关的交错控制使得这样的电力传输能够在转换器的每个开关周期中发生，而不是在每个开关周期的仅一部分(相(phase)间隔)期间发生。这使得在输出端和中间节点处实现更平滑的电压(更小的纹波)，同时使用比标准SCC所需的更小的电容器。本文描述的电路拓扑提供SCC的变体。标准降压SCC包括与输出开关级级联的一个或更多个输入开关级。每个输入开关级通常包括两个开关，所述两个开关可以表示为高侧开关和低侧开关，并且所述两个开关在开关节点处串联连接。高侧开关和低侧开关交替导通。第一组电容器(有时称为链路(link)电容器)将输入开关级的开关节点耦接到输出开关级的开关节点。第二组电容器可以耦接在每个输入开关级之间，或者可以将开关级间节点耦接到输出开关级的另一开关节点。利用具有相关开关时段的开关频率来执行SCC的切换。在每个开关时段内出现的开关周期可以被划分为：第一相间隔，在此期间高侧开关导通并且低侧开关断开；以及第二相间隔，在此期间低侧开关导通并且高侧开关关断。在第一相间隔期间，能量从输入端和第二组电容器被传递到第一组电容器。在第二相间隔期间，能量从第一组电容器被传递到第二组电容器并且被传递到输出端及其相关联的电容器。在这种典型的SCC中，能量仅在每个开关周期的第一相间隔期间从输入端被传递。考虑第一开关级，第一开关级在降压SCC中耦合到输入端，并且电容器将第一开关级的开关节点耦接到输出级。该电容器的尺寸必须使其能够在第一相间隔期间存储电荷(能量)，其中，该电荷(能量)足以最终在整个开关周期(时段)内向输出端提供能量。电容器的电容必须非常大，部分原因是电力仅在大约一半开关周期内从输入端被提供。通过本文描述的电路拓扑和技术解决了上述问题，其在几本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容转换器，包括：输入端；输出端；以级联布置的至少两个开关级，其中，至少第一开关级和第二开关级均包括：第一半桥，其包括在第一开关节点处串联连接的第一高侧开关和第一低侧开关，以及第二半桥，其包括在第二开关节点处串联连接的第二高侧开关和第二低侧开关，其中，所述第一半桥和所述第二半桥并联连接；第一电容器，其将所述第一开关级的第一开关节点耦接到所述第二开关级的第一开关节点；第二电容器，其将所述第一开关级的第二开关节点耦接到所述第二开关级的第二开关节点；以及控制器，其能够操作以生成：第一开关控制信号，其控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第一高侧开关，以及第二开关控制信号，其控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第二高侧开关。

【技术特征摘要】
2018.03.06 US 15/913,3631.一种开关电容转换器，包括：输入端；输出端；以级联布置的至少两个开关级，其中，至少第一开关级和第二开关级均包括：第一半桥，其包括在第一开关节点处串联连接的第一高侧开关和第一低侧开关，以及第二半桥，其包括在第二开关节点处串联连接的第二高侧开关和第二低侧开关，其中，所述第一半桥和所述第二半桥并联连接；第一电容器，其将所述第一开关级的第一开关节点耦接到所述第二开关级的第一开关节点；第二电容器，其将所述第一开关级的第二开关节点耦接到所述第二开关级的第二开关节点；以及控制器，其能够操作以生成：第一开关控制信号，其控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第一高侧开关，以及第二开关控制信号，其控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第二高侧开关。2.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述第一开关控制信号还控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第二低侧开关，其中，所述第二开关控制信号还控制所述第一开关级和所述第二开关级中的每一个的第一低侧开关，以及其中，所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号交替地提供有效电平，使得所述第一高侧开关和所述第二低侧开关在第一导通间隔内导通，并且所述第一低侧开关和所述第二高侧开关在第二导通间隔内导通，其中，所述第一导通间隔和所述第二导通间隔不交叠。3.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述第一开关级和所述第二开关级均还包括第三半桥，所述第三半桥包括在第三开关节点处串联连接的第三高侧开关和第三低侧开关，所述第三半桥与所述第一半桥和所述第二半桥并联连接，以及其中，所述开关电容转换器还包括第三电容器，所述第三电容器将所述第一开关级的第三开关节点耦接到所述第二开关级的第三开关节点。4.根据权利要求1所述的开关电容转换器，还包括：与所述第一电容器串联连接的第一谐振电感器。5.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，确定所述第一开关级的第一开关节点和所述第二开关级的第一开关节点之间的第一谐振电感；以及其中，基于所述第一谐振电感和所述第一电容器的第一电容来确定所生成的第一开关控制信号和第二开关控制信号的开关频率或脉冲宽度、或者开关频率和脉冲宽度两者，以针对所述第一开关级的第一高侧开关和第一低侧开关中的至少一个实现零电流开关ZCS或者近似ZCS。6.根据权利要求1所述的开关电容转换器，还包括：连接到所述第一开关级的第一磁耦合元件；以及连接到所述第二开关级的第二磁耦合元件，其中，能量经由所述第一磁耦合元件和所述第二磁耦合元件在所述第一开关级和所述第二开关级之间传递。7.根据权利要求1所述的开关电容转换器，其中，所述控制器还被配置成：输入对应于所述输出端的负载的所测量的电流或电压、或者所测量的电流和电压两者；检测所测量的电流或电压低于阈值；响应于所述检测，进入低电力工作模式，其中，所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号被修改成使得持续时间长于所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号的有效脉冲间隔的空闲间隔被插在所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号中的至少一个的有效脉冲之间。8.根据权利要求7所述的开关电容转换器，其中，所述空闲间隔中的每一个的长度基于所测量的电流或电压、或者基于所测量的电流和电压两者。9.根据权利要求7所述的开关电容转换器，其中，用于所述低电力工作模式的有效脉冲间隔与用于正常工作模式的有效脉冲间隔相同。10.根据权利要求7所述的开关电容转换器，其中，所述控制器还被配置成使得在所述低电力工作模式期间通过以下而生成所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号：将所述第一开关控制信号在所述有效脉冲间隔内设置成有效电平，使得所述第一高侧开关和所述第二低侧开关在所述有效脉冲间隔内导通；随后，将所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号在长于在所述正常工作模式期间被插在所述有效脉冲间隔之间的死区时间间隔的空闲间...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯·约瑟夫·诺奇，
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