混合多电平逆变器和电荷泵制造技术

本申请公开了混合多电平逆变器和电荷泵。一种方法(1000)包括将功率逆变器的电容器充电至在功率逆变器的输入端子处提供的直流(DC)输入电压(1002)。电容器具有第一端子和第二端子。该方法还包括通过控制输入开关组或者输出开关中的一个在第一时间在功率逆变器的输出端子处提供第一电压，该输入开关组被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子，该输出开关被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子(1004)。该方法还包括通过控制输入开关组和输出开关中的另一个在第二时间在输出端子处提供第二电压(1006)。电压(1006)。电压(1006)。

【技术实现步骤摘要】
混合多电平逆变器和电荷泵

技术介绍

[0001]功率逆变器是接收直流(DC)输入电压并响应于DC输入电压提供交流(AC)输出电压(例如，给负载)的设备。

技术实现思路

[0002]在说明书的示例中，一种方法包括将功率逆变器的电容器充电至在功率逆变器的输入端子处提供的直流(DC)输入电压。电容器具有第一端子和第二端子。该方法还包括通过控制输入开关组或者输出开关中的一个在第一时间在功率逆变器的输出端子处提供第一电压，该输入开关组被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子，该输出开关被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子。该方法还包括通过控制输入开关组和输出开关中的另一个在第二时间在输出端子处提供第二电压。
[0003]在说明书的另一个示例中，一种设备包括功率逆变器，该功率逆变器包括：输入端子、输出端子、接地端子、具有第一端子和第二端子的电容器、被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子的输入开关组，以及被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子的输出开关。该设备还包括耦合到功率逆变器的控制器。控制器被配置为控制输入开关组以将电容器充电至在输入端子处提供的直流(DC)输入电压。在第一时间，控制器被配置为控制输入开关组或输出开关中的一个以向输出端子提供第一电压。在第二时间，控制器被配置为控制输入开关组和输出开关中的另一个以向输出端子提供第二电压。
[0004]在说明书的又一个示例中，一种设备包括适于耦合到输入电压源的第一电源端子和适于耦合到接地端子的第二电源端子、适于耦合到负载的第一负载端子和第二负载端子、被配置为选择性地将第一负载端子和第二负载端子中的一个耦合到负载的输出开关，以及耦合到电源端子和负载端子中的每一个的单格(unit cell)网络。单格网络包括升压(step
‑
up)单格，该升压单格包括第一输入端子和第二输入端子；第一输出端子和第二输出端子；第一电容器，其耦合在第一输出端子和第二输出端子之间；第一单刀单掷(SPST)开关，其被配置为选择性地将第一输出端子耦合到第一输入端子；第一单刀双掷(SPDT)开关，其被配置为选择性地将第二输出端子耦合到第一输入端子或第二输入端子。单格网络还包括降压(step
‑
down)单格，该降压单格包括第三输入端子和第四输入端子；第三输出端子和第四输出端子；第二电容器，其耦合在第三输出端子和第四输出端子之间；第二SPDT开关，其被配置为选择性地将第三输出端子耦合到第三输入端子或第四输入端子；第二SPST开关，其被配置为选择性地将第四输出端子耦合到第四输入端子。
附图说明
[0005]在示例中，图1是包括多电平功率逆变器的系统的框图。
[0006]在示例中，图2是多电平功率逆变器的电路图。
[0007]在示例中，图3a是多电平功率逆变器在第一时间处于第一配置的电路图，并且图
3b是功率逆变器通过第一时间的输出电压的时序图。
[0008]在示例中，图4a是图3a的多电平功率逆变器在第二时间处于第二配置的电路图，并且图4b是功率逆变器通过第二时间的输出电压的时序图。
[0009]在示例中，图5a是图3a的多电平功率逆变器在第三时间处于第三配置的电路图，并且图5b是功率逆变器通过第三时间的输出电压的时序图。
[0010]在示例中，图6a是图3a的多电平功率逆变器在第四时间处于第四配置的电路图，并且图6b是功率逆变器通过第四时间的输出电压的时序图。
[0011]在示例中，图7a是图3a的多电平功率逆变器在第五时间处于第五配置的电路图，并且图7b是功率逆变器通过第五时间的输出电压的时序图。
[0012]在示例中，图8是另一多电平功率逆变器的电路图。
[0013]在示例中，图9是包括升压单格和降压单格二者的多电平功率逆变器的框图。
[0014]在示例中，图10是控制多电平功率逆变器的方法的流程图。
具体实施方式
[0015]在驱动寄生电容的集成电路上实施功率逆变器同时提供可接受的效率是困难的。在H桥逆变器的情况下，开关节点上的寄生电容的硬充电和放电消耗能量，这降低逆变器的效率并限制其最大功率输出。在谐振驱动逆变器的另一种情况下，串联电感器可用于对寄生电容进行谐振充电和放电，同时提供Q升压的正弦输出电压波形。然而，虽然谐振驱动逆变器相对于H桥逆变器降低了驱动器损耗，但片上电感器在较低频率(例如，<200MHz)下具有较差的Q因子(例如，Q<5)并且占据相对大的面积(例如，大约1x1mm2)。在多电平电荷泵逆变器的又一种情况下，通过提供多阶跃输出电压波形来降低驱动器损耗。然而，将各种电荷泵输出耦合到负载的开关应该能够双向阻塞，这需要更稳健的晶体管并增加驱动这些晶体管的栅极的复杂性。
[0016]本说明书的示例包括功率逆变器和用于操作功率逆变器的方法，功率逆变器可以在集成电路(IC)上实施，同时为各种应用提供可接受的效率。具体地，本文描述的功率逆变器包括一个或多个升压和/或降压单格，其被配置为响应于DC输入电压提供AC输出电压。单格被充电至DC输入电压。如下所述，升压单格被配置为将其电压作为正电压提供给功率逆变器的输出，而降压单格被配置为将其电压作为负电压提供给输出。在一些示例中，本文描述的功率逆变器以及控制功率逆变器的方法导致准绝热过程，其中能量相对逐渐地(例如，以阶梯方式)转移到电容性负载，这增加功率逆变器的效率并降低与对电容性负载充电相关的固有损耗。在这些示例中，准绝热过程不一定是无损的，而是反映了绝热工作原理。
[0017]功率逆变器包括输入端子，该输入端子适于耦合到DC输入电压源，诸如汽车电池或其他DC电压源。输入端子被配置为接收来自DC输入电压源的DC输入电压。功率逆变器还包括适于耦合到负载的输出端子。输出端子被配置为响应于DC输入电压向负载提供AC输出电压。
[0018]功率逆变器还包括至少一个电容器和耦合到该(或每个)电容器的输入开关组(例如，晶体管)。输入开关组被配置为选择性地将电容器的第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子。功率逆变器还包括输出开关，其被配置为选择性地将输出端子耦合到电容器的第一端子或第二端子。电容器充电至DC输入电压。例如，输入开关被控制以将电容器的
第一端子耦合到输入端子并且将电容器的第二端子耦合到接地端子，这将电容器与输入电压源并联布置并且将电容器充电至DC输入电压。在该示例中，控制输出开关以将输出端子耦合到第二端子，此时第二端子耦合到接地端子。
[0019]在第一时间，控制输入开关组或输出开关以向输出端子提供第一电压。在第二时间，控制输入开关组和输出开关中的另一个以向输出端子提供第二电压。例如，如果在第一时间控制或操作输入开关组，则在第二时间控制或操作输出开关。或者，如果在第一时间控制或操作输出开关，则在第二时间控制或操作输入开关组。
[0020]在一个示例中，在第一时间控制输入开关以将电容器的第二端子耦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种方法，包括：将功率逆变器的电容器充电至在所述功率逆变器的输入端子处提供的直流输入电压即DC输入电压，其中所述电容器具有第一端子和第二端子；通过控制以下中的一个在第一时间在所述功率逆变器的输出端子处提供第一电压：输入开关组，其被配置为选择性地将所述第一端子和所述第二端子耦合到所述输入端子或接地端子；或者输出开关，其被配置为选择性地将所述输出端子耦合到所述第一端子或所述第二端子；以及通过控制所述输入开关组和所述输出开关中的另一个在第二时间在所述输出端子处提供第二电压。2.根据权利要求1所述的方法，其中充电包括操作所述输入开关组以将所述电容器与提供所述DC输入电压的输入电压源并联布置。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电压大于所述第一电压。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电压大于所述第二电压。5.根据权利要求1所述的方法，还包括通过反转在所述第一时间或在所述第二时间处对所述输入开关组或所述输出开关中的一个的操作，在第三时间提供所述第一电压。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电容器是第一电容器并且所述输入开关组是第一输入开关组，所述方法还包括：将所述功率逆变器的第二电容器充电至所述DC输入电压，其中所述第二电容器具有第三端子与第四端子；以及通过控制第二输入开关组在第三时间在所述输出端子处提供第三电压，所述第二输入开关组被配置为选择性地将所述第三端子和所述第四端子耦合到所述输入端子或所述接地端子。7.一种设备，包括：功率逆变器，所述功率逆变器包括：输入端子；输出端子；接地端子；电容器，其具有第一端子和第二端子；输入开关组，其被配置为选择性地将所述第一端子和所述第二端子耦合到所述输入端子或所述接地端子；以及输出开关，其被配置为选择性地将所述输出端子耦合到所述第一端子或所述第二端子；以及控制器，其耦合到所述功率逆变器并且被配置为：控制所述输入开关组以将所述电容器充电至在所述输入端子处提供的直流输入电压即DC输入电压；在第一时间，控制所述输入开关组或所述输出开关中的一个以向所述输出端子提供第一电压；并且在第二时间，控制所述输入开关组和所述输出开关中的另一个以向所述输出端子提供
第二电压。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器被配置为操作所述输入开关组，以将所述电容器与提供对所述电容器充电的所述DC输入电压的输入电压源并联布置。9.根据权利要求7所述的设备，其中所述第二电压大于所述第一电压。10.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一电压大于所述第二电压。11.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器被配置为在第三时间反转在所述第一时间或在所述第二时间处对所述输入开关组或所述输出开关中的一个的操作以再次提供所述第一电压。12.根据权利要求7所述的设备，其中所述电容器是第一电容器并且所述输入开关组是第一输入开关组，并且其中所述功率逆变器包括：第二电容器，其具有第三端子和第四端子；以及第二输入开关组，其被配置为选择性地将所述第三端子和所述第四端子耦合到所述输入端子或所述接地端子；其中所述控制器被配置为将所述第二电容器充电至所述DC输入电压，并且在第三时间，控制所述第二输入开关组以向所述输出端子提供第三电压。13.一种设备，包括：第一电源端子和第二电源端子，所述第一电源端子适于耦合到输入电压源，所述第二电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：O，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：