[发明专利]开关电容转换器、用于转换电压电平的方法和电气系统

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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。