[發明專利]開關電容轉換器、用于轉換電壓電平的方法和電氣系統

在審

• 申請號: 201910159890.3
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN110233571A
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 克里斯·約瑟夫·諾奇
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技奧地利有限公司
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 康建峰;杜誠

提供了一種開關電容轉換器(SCC)、用于SCC內的電壓轉換的方法和電氣系統。SCC包括級聯在一起的多個開關級。每個開關級包括兩個并聯連接的半橋。每個半橋具有在開關節點處連接的高側開關和低側開關。每個開關級的每個半橋的開關節點經由電容器耦接到一些其他開關級的相應開關節點。開關被控制成使得在第一間隔期間，附接到每個開關級的A相電容器充電，而B相電容器放電。在第二間隔期間，B相電容器充電，而A相電容器放電。通過如此交替間隔，耦接到每個開關級的電容器之一幾乎總是放電，使得它可以向SCC的輸出端或一些相鄰的開關級提供電流。

技術領域

本申請涉及一種開關電容轉換器，該開關電容轉換器包括級聯在一起的多個開關級，其中每個開關級具有至少兩個交錯式半橋。

背景技術

將直流(DC)切換到DC電壓的轉換器用于各種應用中，以將輸入電壓處的電力轉換成期望輸出電壓處的電力。使用這樣的電壓轉換器用于為電池充電器、計算機、電視和許多其他電子設備供電。

電壓轉換器可以將輸入電壓降低或升高固定的轉換因子(例如，2：1、4：1、1：3)，以用于電壓轉換器的負載不需要調節的應用。開關電容轉換器(SCC)代表可以基于這樣的固定轉換因子來轉換電壓的一類電壓轉換器。SCC至少與包括典型調節電壓轉換器的許多其他電壓轉換器類型相比以低阻抗和高效率運行。SCC不需要龐大的磁性元件(例如，電感器或變壓器)，其導致SCC的潛在高功率密度。此外，SCC的開關控制相當簡單，特別是與調節電壓轉換器相比時更是如此，并且SCC的開關控制不需要通常由用于調節電壓轉換器的控制器所需的測量傳感器。

典型的SCC通過使用開關來操作以在若干鏈路電容器之間傳輸能量。開關和鏈路電容器可以被劃分為第一組和第二組，并且SCC的開關周期可以被劃分為第一相間隔和第二相間隔。在切換間隔的第一相期間，第一組開關導通，使得電荷從輸入端或第二組電容器傳遞到第一組電容器。在切換間隔的第二相期間，第二組開關導通，使得電荷(能量)從第一組電容器傳遞到第二組電容器并傳遞到輸出端及其相關聯的輸出電容器。通過在切換間隔的第一階段和第二階段期間發生的第一組電容器和第二組電容器之間的這些能量傳遞，使電力從SCC的輸入端流向輸出端。

SCC的鏈路電容器的尺寸必須使得它們能夠存儲在切換間隔的第一階段和第二階段內提供的電荷，并且在電荷轉移期間具有最小的損耗。此外，輸出電容的大小必須使SCC輸出端處的任何電壓紋波都在可接受的范圍內。這些要求導致電容器具有相當高的電容和相關聯的大尺寸，使得電容器包括由SCC消耗的大部分面積(和體積)。

期望減小SCC內的電容器的尺寸的電路拓撲和相關技術。

發明內容

根據開關電容轉換器(SCC)的實施方式，SCC包括：輸入端、輸出端、被級聯在一起的至少兩個開關級、第一電容器和第二電容器，以及控制器。至少第一開關級和第二開關級均包括第一半橋和第二半橋。每個第一半橋包括在第一開關節點耦接到第一低側開關的第一高側開關。每個第二半橋包括在第二開關節點處耦接到第二低側開關的第二高側開關。第一半橋和第二半橋彼此并聯連接。第一電容器將第一開關級的第一開關節點耦接到第二開關級的第一開關節點，而第二電容器將第一開關級的第二開關節點耦接到第二開關級的第二開關節點。控制器被配置成生成第一開關控制信號和第二開關控制信號。第一開關控制信號控制每個開關級的第一高側開關。而第二開關控制信號控制每個開關級的第二高側開關。

根據電氣系統的實施方式，電氣系統包括如上所述的開關電容轉換器(SCC)。電氣系統還包括負載，該負載電耦合到輸出端并且由SCC供電。