具有電容式能量傳遞的功率轉換器的控制制造技術

一種用于功率轉換的裝置，其包括：變壓元件、調節元件以及控制器；其中，變壓元件的周期等于系數和調節電路的周期之積，其中，系數選自由正整數和所述整數的倒數組成的組。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】具有電容式能量傳遞的功率轉換器的控制相關申請本申請要求于2011年12月19日提交的美國臨時申請案61/577，271的 優先權日:的權益，其內容通過引用的方式并入本文。
本公開涉及利用電容器傳遞能量的功率轉換器的控制。
技術介紹
功率轉換器一般可包括開關和一個或多個電容器。這類轉換器可用于，例如，向便攜式電子裝置和消費類電子產品供電。開關模式功率轉換器是一種特定類型的功率轉換器，其通過利用開關網絡將能量存儲元件(即，電感器和電容器)切換到不同的電力配置來調節輸出電壓或電流。開關式電容轉換器是一種主要利用電容傳遞能量的開關式功率轉換器。在這類轉換器中，電容器和開關的數量隨著變壓比的增加而增加。典型的功率轉換器執行變壓和輸出調節。在許多功率轉換器中，比如降壓轉換器，這兩種功能均在一個階段發生。然而，還可將這兩種功能分成兩個專門階段。這類兩級功率轉換器結構的特點在于獨立的變壓階段和獨立的調節階段。變壓階段將一個電壓轉換成另一電壓，而調節階段則保證功率轉換器的輸出電壓和/或輸出電流保持所需的特征。例如，參照圖1，在一個已知的功率轉換器10中，開關式電容元件12A在其輸入端與電壓源14電性連接。調節電路16A的輸入端與開關式電容元件12A的輸出端電性連接。然后，負載18A與調節電路16A的輸出端電性連接。2009年5月8日提交的美國專利申請N0.2009/0278520中描述了這種轉換器，其內容以引用的方式并入本文。此外，2012年5月4日提交的PCT申請PCT/2012/36455描述了一種模塊化多級功率轉換器結構，其內容以引用的方式并入本文。開關式電容元件12A和調節電路16A可以多種不同的方式進行混合和匹配。這為這類功率轉換器的組裝提供了轉換性集成電源解決方案(TIPSTM)。如此，圖1所示的配置僅表示向一個或多個開關式電容元件12A配置一個或多個調節電路16A的眾多方法中的一種方法。圖2圖示了功率轉換器10A，其從電壓源14接收輸入電壓VIN并產生比輸入電壓VIN要低的輸出電壓V0。功率轉換器IOA是圖1所示功率轉換器結構的具體實施例。開關式電容元件12A的特點在于2:1雙相串并行開關式電容網絡，該開關式電容網絡包括電源開關S1-S8和泵電容器C1-C2。相反，調節電路16A的特點在于降壓轉換器，該降壓轉換器包括低側開關SL、高側開關SH、濾波電感器LI以及驅動級51。在開關式電容元件12A工作時，電源開關S1、S3、S6、S8和電源開關S2、S4、S5、S7總是處于互補狀態。因此，在第一網絡狀態中，電源開關S1、S3、S6、S8打開，而電源開關S2、S4、S5、S7關閉。在第二網絡狀態中，電源開關S1、S3、S6、S8關閉，而電源開關S2、S4、S5、S7則打開。開關式電容元件12A循環通過第一網絡狀態和第二網絡狀態，產生中間電壓VX，該中間電壓VX是輸入電壓VIN的一半。參照圖2，開關式電容元件12A在第一相電壓VA較高且第二相電壓VB較低時處于第一網絡狀態。相反，開關式電容兀件12A在第一相電壓VA較低且第二相電壓VB較高時處于第二網絡狀態。兩個相電壓VA、VB不重疊且具有大約50%的占空比。在調節電路16A工作時，低側開關SL和高側開關SH將中間電壓VX斬波為開關電壓VLX。LC濾波器接收開關電壓VLX，生成與平均開關電壓VLX相等的輸出電壓V0。為了保證所需的輸出電壓V0，調節控制電壓VR對低側開關SL和高側開關SH的占空比進行控制。此外，驅動級51提供能量以打開和關閉低側和高側開關SL、SH。在先公開分別探討了對開關式電容元件12A和調節電路16A的控制。這存在許多缺點，其中一個缺點在于中間電壓VX紋波會饋通至輸出電壓V0。一種解決該問題的可能方案是建立反饋控制回路，該反饋控制回路速度夠快，能使中間電壓VX紋波對輸出電壓VO的影響減弱。為了實現該目標，調節電路16A的頻率必須明顯高于開關式電容元件12A的頻率。另一種解決該問題的可能方案是向調節電路16A增加前饋控制回路。然而，就像快速反饋解決方案的情況一樣，前饋解決方案僅在調節電路16A的頻率明顯高于開關式電容元件12A的頻率時方才有效。因此，這兩種解決方案都對開關式電容元件12A和調節電路16A造成了嚴重的頻率制約。此外，開關式電容元件12A的第一網絡狀態和第二網絡狀態之間通常存在死區時間間隔DT。在該死區時間間隔DT期間，開關式電容元件12A中的所有開關均打開。這保證開關式電容元件12A的第一網絡狀態和第二網絡狀態之間的完全轉換，反之亦然。如果調節電路16A在死區時間間隔DT期間嘗試消耗電流，在開關式電容元件12A和調節電路16A之間的節點處會發生電壓“毛刺”。通過使用毛刺電容器CX可以減少電壓“毛刺”。遺憾的是，每次開關式電容元件12A在第一網絡狀態和第二網絡狀態之間轉換時，存儲在毛刺電容器CX上的部分能量便會丟掉，反之亦然。能量損失由毛刺電容器CX短路到不同電壓的電容器(比如，泵電容器Cl、C2)引起的。因此，在死區時間間隔DT期間使用毛刺電容器CX提供能量是一種有效的解決方案，但這需要一個額外的電容器，會降低功率轉換器IOA的效率。
技術實現思路
在本專利技術的總體方面，提供了一種用于功率轉換的裝置，其包括:變壓元件、調節元件以及控制器；其中，所述變壓元件的周期等于系數和所述調節電路的周期之積，其中，所述系數選自由正整數和所述整數的倒數組成的組。本專利技術這方面的實施例可包括一個或多個下列特征。調節元件配置為使連續電流從其中通過。作為替代方案，所述調節元件配置為使不連續電流從其中通過。對所述調節元件進行控制，以避免在所述變壓元件的死區時間期間使電流從其中通過。所述控制器配置為對所述調節元件和所述變壓元件中出現的多個相位進行控制。所述控制器配置為對所述調節元件和所述變壓元件中出現的多個相位進行控制，以避免在與各個所述多個相位關聯的死區時間期間使電流從其中通過。所述裝置進一步包括:數據處理單元和存儲單元，所述數據處理單元和所述存儲單元中的至少一個配置為消耗由所述功率轉換電路提供的功率。在其他實施例中，所述裝置進一步包括:數據處理單元、顯示器以及無線發射機和接收器，所述數據處理單元、所述顯示器以及所述無線發射機和接收器中的至少一個配置為消耗由所述功率轉換電路提供的功率。在本專利技術的另一方面，提供了一種用于功率轉換的裝置，其包括:第一元件，其配置為接受具有第一電壓的輸入信號并輸出具有第二電壓的中間信號；第二元件，其配置為接收來自所述第一元件的中間信號并輸出具有第三電壓的輸出信號。所述第一元件選自由變壓元件和調節元件組成的組，所述第二元件在所述第一元件是變壓元件時為調節元件，否則為變壓元件；以及控制器，其配置為對所述變壓元件的周期和所述調節元件的周期進行控制，所述控制器配置為使所述變壓元件的周期與系數和所述調節元件的周期之積同步，所述系數選自由正整數和所述整數的倒數組成的組。本專利技術的這方面的實施例可包括一個或多個下列特征。所述系數是正整數，或作為替代方案，是所述正整數的倒數。所述控制器配置為接收來自所述第一元件的中間信號和來自所述第二元件的輸出信號。所述控制器配置為接收所述輸入信號。所述控制器配置為基于所述輸出信號生成第一控本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于功率轉換的裝置，其包括：變壓元件、調節元件以及控制器；其中，所述變壓元件的周期等于系數和所述調節電路的周期之積，其中，所述系數選自由正整數和所述整數的倒數組成的組。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.12.19 US 61/577,2711.一種用于功率轉換的裝置，其包括:變壓元件、調節元件以及控制器；其中，所述變壓元件的周期等于系數和所述調節電路的周期之積，其中，所述系數選自由正整數和所述整數的倒數組成的組。2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述調節元件配置為使連續電流從其中通過。3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述調節元件配置為使不連續電流從其中通過。4.根據權利要求3所述的裝置，其中，對所述調節元件進行控制，以避免在所述變壓元件的死區時間期間使電流從其中通過。5.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制器配置為對所述調節元件和所述變壓元件中出現的多個相位進行控制。6.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制器配置為對所述調節元件和所述變壓元件中出現的多個相位進行控制，以避免在與各個所述多個相位關聯的死區時間期間使電流從其中通過。7.根據權利要求1所述的裝置，其進一步包括:數據處理單元和存儲單元，所述數據處理單元和所述存儲單元中的至少一個配置為消耗由所述功率轉換電路提供的功率。8.根據權利要求1所述的裝置，其進一步包括:數據處理單元、顯示器以及無線發射機和接收器，所述數據處理單元、所述顯示器以及所述無線發射機和接收器中的至少一個配置為消耗由所述功率轉換電路提供的功率。9.一種用于功率 轉換的裝置，所述裝置包括:第一元件，其配置為接受具有第一電壓的輸入信號并輸出具有第二電壓的中間信號；第二元件，其配置為接收來自所述第一元件的中間信號并輸出具有第三電壓的輸出信號，其中，所述第一元件選自由變壓元件和調節元件組成的組，所述第二元件在所述第一元件是變壓元件時為調節元件，否則為變壓元件；以...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛·朱利亞諾，
申請(專利權)人：北極砂技術有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US