开关电容转换器及其操作方法与流程

本申请涉及开关电容转换器，特别地涉及开关电容转换器中的零电流切换控制。

背景技术：

开关电容转换器是一类使用电容器提供能量传输和电压转换的电压转换器。开关电容转换器的每个支线(leg)包括电容器，并且开关装置连接至每个支线以控制电容器的充电。在一些实现中，支线中的一些还包括使这些支线谐振的电感器。在任一情况下，不同组的转换器支线均在输出端耦接至整流器的不同支路。交替切换不同组的转换器支线以将能量从输入端传输至输出端。诸如半桥整流器的整流器在每个切换周期期间对从电容器传输的能量进行整流。经整流的输出可以直接施加至负载或另一转换器级，例如降压转换器、pol(负载点)转换器等。

对于以相同的占空比切换每个支线的开关电容转换器而言，每个支线中的电流理想地是相同的。然而，由于电感器、电容器等的容差，不同支线中的一些电流或全部电流是相位失配的，这意味着一些支线中的电流在其他支线中的电流之前或之后过零。即使电感和/或谐振电容容差低至10％，转换器效率也会由于支线电流的相位失配而出现显著下降。

理想地，连接至每个谐振支线的开关在zcs(零电流切换)条件下切换，在该zcs切换中，当通过该开关装置的电流穿过零点时关断开关装置并且保持关断状态达一定死区时间。另外，在非zcs条件下的高电流电平下，由于采用了大量的开关装置，因此切换损耗相当大。然而，标准的50％占空比切换在实际实现中不允许zcs，在实际实现方式中，部件具有容差并且存在其他非线性特性，并且zcs对于一些支线或全部支线会丢失。常规的方法实现完全的开环控制并且简单地增加接通与关断每个支线的开关之间的死区时间，以试图在关断时间避免正或负的开关电流。该方法通过延长每个切换周期并且显著增加死区时间而降低了系统效率。

技术实现要素：

根据开关电容转换器的实施方式，转换器包括输入端、输出端、输出端处的整流器以及耦接在输入端与整流器之间的多个支线。每个支线包括电容器。第一组支线耦接至整流器的第一支路，而第二组支线耦接至整流器的第二支路。开关电容转换器还包括连接至每个支线的开关装置以及能够操作成交替切换连接至第一组支线和第二组支线的开关装置以将能量从输入端传输至输出端的控制器。基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。

根据操作开关电容转换器的方法的实施方式，该开关电容转换器包括：输入端；输出端；输出端处的整流器；耦接在输入端与整流器之间的多个支线，每个支线包括电容器，第一组支线连接至整流器的第一支路并且第二组支线连接至整流器的第二支路；以及连接至每个支线的开关装置，该方法包括：交替切换连接至第一组支线和第二组支线的开关装置以将能量从输入端传输至输出端；以及基于指示通过连接至每个支线的开关装置的电流过零或几乎过零的过零信息来修改切换，使得连接至同一组支线的每个开关装置在通过开关装置的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直到连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量为止。

本领域技术人员在阅读下面的详细描述以及查看附图时将认识到附加特征和优点。

附图说明

附图的中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。各种所示实施方式的各特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施方式在附图中被描绘并且在下面的描述中详细说明。

图1示出了实现零电流切换控制的开关电容转换器的实施方式的框图；

图2示出了在常规pwm控制下工作的图1所示的开关电容转换器的电流波形；

图3示出了在零电流切换控制下工作的图1所示的开关电容转换器的电流波形；

图4至图8示出了用于向图1所示的开关电容转换器的支线提供过零信息的电路的不同实施方式的相应框图；

图9示出了实现零电流切换的开关电容转换器的另一实施方式的框图；

图10示出了包括在图9所示的开关电容转换器中的整流器支路的集成功率级实现的实施方式的框图。

具体实施方式

本文中描述的实施方式为开关电容转换器提供零电流切换控制。可以例如通过以下方式来确定零电流切换条件：感测或估计开关电容转换器的每个谐振支线的电容器电压的电流或导数，并且使用该过零信息来实现对转换器的每个支线的准确的zcs(零电流切换)或近似zcs切换的控制。这样做使得转换器能够确定最佳切换频率并且在所有支线上都具有zcs或近似zcs的条件，从而使转换器的效率最大化。

图1示出了具有零电流切换控制的开关电容转换器100的实施方式。开关电容转换器100具有耦接至电压源vin的输入端102、耦接至负载或其他转换器106的输出端104、输出端104处的整流器108和输出电容器cout以及耦接在输入端102与整流器108之间的多个支线。经整流的输出电压vout可以被直接施加至负载或另一转换器级106，例如降压转换器、pol(负载点)转换器等。例如，输入电压vin可以在从36v到54v的范围内，并且在多级转换器情况下输出电压vout可以在从6v到9v的范围内。在任何情况下，用于开关电容转换器100的控制器110保持转换器支线的适当切换以将能量从输入端102传输至输出端104。

开关电容转换器100的每个支线包括各自的电容器cy。支线中的一些支线(其在本文中也称为谐振支线)包括连接至相应电容器cy的电感器lx。开关装置qx连接至每个支线，用于控制电容器qx的充电。图1中总共示出六个支线，其中，谐振支线1包括谐振电容器c1和电感器l1，支线2包括飞跨电容器c2，谐振支线3包括谐振电容器c3和电感器l2，支线4包括飞跨(flying)电容器c4，谐振支线5包括谐振电容器c5和电感器l3，并且支线6包括飞跨电容器c6。开关装置qx可以是分立功率晶体管管芯(芯片)、至少包括形成单独开关装置以及相应的驱动器和控制电路等的功率晶体管的集成功率级。

包括谐振电容器c1、c3和c5的(第一)谐振支线组耦接至整流器108的第一支路112，并且包括飞跨电容器c2、c4和c6的(第二)非谐振支线组耦接至整流器108的第二支路114。整流器是对于每组支线而言ac电流处于相反相位的开关电容整流器。在第一组正在充电时，另一组正在放电。整流器开关在电流正在放电时交替地将每个支线连接至输出端，并且在电流正在充电时将每个支线接地。在一个实施方式中，整流器108的每个支路112、114包括作为半桥耦接的两个开关装置qm/qn。其他整流器配置是可能的。

在图1所示的示例性6:1拓扑并且n＝3的情况下，相应支线的电容器两端的稳态电压如下：

vc5＝1*vout

vc4＝2*vout

vc3＝3*vout

vc2＝4*vout

vc1＝5*vout

图1所示的示例性系统的转换比是vout/vin＝2n＝6。通常，开关电容转换器100可以包括任意偶数个的支线。例如，开关电容转换器100可以包括两个支线并且vout/vin＝2n＝2，或者开关电容转换器100可以包括四个支线并且vout/vin＝2n＝4，或者开关电容转换器100可以包括八个支线并且vout/vin＝2n＝6等。支线的数目取决于要使用转换器100的应用。

开关电容转换器100的控制器110交替切换第一(谐振)支线组和第二(非谐振)支线组以将能量从输入端102传输至输出端104。如图2所示，在常规控制下，开关装置q1、q3、q5、q7和q10将经由具有50％占空比的第一pwm(脉冲宽度调制)信号进行切换，并且开关装置q2、q4、q6、q8和q9将经由具有pwm信号之间的死区时间的互补pwm信号进行切换。

图2示出了在标准pwm切换控制下产生的图1的开关电容转换器100中的谐振电流il1、il2和il3。在图2中，'pwm1'表示用于控制开关装置q1、q3、q5、q7和q10的信号，'pwm2'表示用于控制开关装置q2、q4、q6、q8和q9的信号，并且'd1'和'd2'表示相应的开关组可以再次接通之前的相应死区时间。由于转换器100内的部件容差和其他非线性特性，谐振电流il1、il2和il3具有不同的过零时间。在图2中，谐振电流il3在pwm1的占空比小于50％的情况下过零，这在开关装置q5在pwm1的下降沿关断时在q5中引起负电流。谐振电流il1在pwm1占空比约为50％的情况下过零，这在开关装置q1在pwm1下降沿关断时在q1中不引起电流或引起可忽略的电流。谐振电流il2在pwm1的占空比为50％的情况下大于零，这在开关装置q3在pwm1下降沿关断时在开关装置q3中引起正电流。在常规的开环控制下，死区时间d1和d2必须足够大以减轻这样的过零状况。然而，这会引起转换器效率降低，这是因为占空比必须降低以适应更大的死区时间。

本文中描述的实施方式基于过零信息来修改转换器支线的切换，该过零信息指示通过连接至每个支线的开关装置qx的电流过零或几乎过零。通过这种方式，连接至同一组支线的每个开关装置q1/q3/q5、q2/q4/q6可以在通过该开关装置的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直至连接至该组支线的所有开关装置均关断达预定的时间量(死区时间)为止。

图1和图3示出了如下实施方式：控制器110产生用于切换连接至开关电容转换器100的支线的每个开关装置qx的单独pwm信号(pwm1、pwm2等)。控制器110基于相应开关装置qx的过零信息来调节每个pwm信号的占空比，使得每个开关装置qx的占空比与该开关装置qx的过零电流相对应。在图3中，信号pwm1控制开关装置q1并且具有约为50％的占空比。开关装置q1的过零信息指示q1所连接的支线中的电流il1在50％的占空比点处或附近过零。因此，控制器110不调节信号pwm1的占空比，这是因为开关装置q1在il1的过零点处或附近以50％的占空比关断。在图3所示的示例中，相同的zcs条件不适用于开关装置q3和q5。开关装置q3的过零信息指示q3所连接的支线中的电流il2在50％占空比点之后过零。相反，开关装置q5的过零信息指示q5所连接的支线中的电流il3在50％占空比点之前过零。

基于开关装置q3的过零信息，控制器110可以将控制开关装置q3的信号pwm3的占空比增大成大于50％，使得q3在il2的过零点处或附近关断。基于开关装置q5的过零信息，控制器110可以将控制q5的信号pwm5的占空比减小成小于50％，使得q5同样在il3的过零点处或附近关断。利用该可变占空比方法，连接至同一组支线的每个开关装置q1/q3/q5、q2/q4/q6在通过该开关装置qx的电流过零或几乎过零时关断并且保持关断状态，直到连接至该组支线的所有开关装置q1/q3/q5、q2/q4/q6均关断达预定的时间量(死区时间)为止。例如，在图3中的开关装置q5的情况下，q5在切换周期的下一(负)半周期期间被允许再次接通之前经历有效的死区时间di。虽然图3示出了所有开关装置在相应pwm信号的上升沿处对齐，但开关装置可以替代地在其各自的pwm信号的下降沿处对齐。连接至第一组支线内的相应支线的至少两个开关装置在一个开关周期内的部分重叠的时间间隔内接通，其中该部分重叠的时间间隔具有不同的持续时间。

根据另一实施方式，控制器110产生具有固定占空比(例如50％)的单个pwm信号，以用于切换连接至开关电容转换器100的支线的每个开关装置qx。根据该实施方式，每个开关装置qx包括被配置成感测功率级的输出电流的集成功率级，如稍后将在本文中结合图8更详细描述的那样。每个开关装置qx的过零信息与由包括该开关装置qx的集成功率级感测到的输出电流相对应。当由包括开关装置qx的功率级提供的输出电流测量结果过零时，识别出特定开关装置qx的过零点。

每个集成功率级可以基于该功率级的感测到的输出电流来调节由控制器110提供的主pwm信号的占空比，使得包括在功率级中的开关装置qx的占空比与该开关装置qx的过零电流相对应。在图1的示例中，信号pwm1、pwm3、pwm5、pwm7和pwm10与来自控制器110的主pwm信号相对应，而信号pwm2、pwm4、pwm6、pwm8和pwm9与例如

图2所示的互补pwm信号相对应。然后，由根据本实施方式的单独的功率级进行占空比调节，单独的功率级中的每个均具有电流感测能力。对于图3的示例中所示的不同ilx过零点，由单独的集成功率级而不是由控制器110来进行相应的占空比调节。具有电流感测能力的集成功率级在电压转换器领域中是公知的，因此没有就这方面提供进一步的说明。

如上面所说明的，用于修改支线切换的过零信息指示通过连接至每个支线的开关装置qx的电流过零或几乎过零。在一个实施方式中，过零信息与通过连接至支线的每个开关装置qx的感测到的电流相对应。在另一实施方式中，过零信息与支线的每个电容器cx两端的感测到的电容器电压的导数相对应。

如图3所示，控制器110经由pwm控制在每个切换周期的第一部分(前半部分)期间接通第一组支线并且在每个切换周期的第二部分(后半部分)期间切断第一组支线。类似地，控制器110经由pwm控制在每个切换周期的第一部分期间切断第二组支线并且在每个切换周期的第二部分期间接通第二组支线。基于可用于控制器110的过零信息，控制器110在其零电流交点处关断每个开关装置qx以实现zcs，并且例如在hiz模式下保持开关装置关断直到连接至同一组支线的最慢的开关装置关断超过特定的死区时间。

如果在下一半周期内新的过零信息不可用，则控制器110可以在该半周期内应用相同的控制序列。即，控制器110可以使用针对当前切换而确定的相同的过零信息来修改在当前切换周期的第一部分期间关断连接至第一组支线的每个开关装置q1/q3/q5的点并且修改在当前切换周期的第二部分期间关断连接至第二组支线的每个开关装置q2/q4/q6的点。然而，如果全波形可用，则可以基于该半周期内的新过零信息而在下一个半周期中使用类似的方法。即，控制器110可以使用针对当前切换周期的第一部分所确定的第一过零信息来修改在当前切换周期的第一部分期间关断连接至第一组支线的每个开关装置q1/q3/q5的点。控制器110使用针对当前切换周期的第二部分所确定的第二(新的)过零信息来修改在当前切换周期的第二部分期间关断连接至第二组支线的每个开关装置q2/q4/q6的点。接下来描述用于确定过零信息的各种实施方式。

图4示出了第一组中的每个支线包括连接至该支线的电容器cx的电感器的实施方式，该电感器由电流互感器(transformer)tx的第一绕组200形成。全谐振电流可以通过相应的电流互感器tx来实现。根据该实施方式，第一组中的每个支线的过零信息由连接至该支线的电流互感器tx的第二绕组204的感测电路202获得。感测电路202感测连接至相应支线的开关装置qx的过零电流(ilx)。

图5示出了第一组中的每个支线包括连接至该支线的电容器的电感器lx的实施方式。第一组中的每个支线的过零信息由连接至该支线的电感器lx的dcr感测电路300获得。dcr感测电路300感测连接至相应支线的开关装置qx的过零电流(ilx)。可以通过dcr方法来实现全谐振电流波形和半谐振电流波形。感测电路300可以被修改成解决相对大的共模电感器电压(根据开关状态，电感器电压为接地或为vout)。在一个实施方式中，感测电路300使用相应的pwm信号来确定支线接通以阻止共模。在另一实施方式中，感测电路300仅在相应的开关装置qx接通时的周期中感测电感器电流ilx。可以提供附加的智能化来控制执行dcr感测。例如，包括开关装置qx的集成功率级可以具有电流感测放大器，该电流感测放大器可以用于确定开关装置qx接通。

在替代图5所示的方法的一种替选方法中，如果电感器lx和电容器cx的位置颠倒，则可以通过与电感器dcr的方法类似的方法来感测电容器电压vcx。表示相应支线中的电流的感测电容器电压vcx的导数(cxdv/dt)可以用于过零检测。替代地，感测电容器电压vcx的峰值可以用于过零检测。

在又另一方面中，可以在不感测相应的电流的情况下使用比较器来预测/确定过零点。

图6示出了从连接至每个支线的开关装置qx的接通状态电阻(rdson)测量结果得到该支线的过零信息的实施方式。可以通过rdson电流感测来实现半谐振电流波形。可以使用被配置成感测开关装置的rdson的任何标准感测电路400。

图7示出了连接至至少第一组支线的每个开关装置qx被实现为具有输出电流感测能力(ilx)的集成功率级500的实施方式。根据该实施方式，第一组中的每个支线的过零信息是从由该支线的集成功率级500感测到的输出电流(ilx)得到的。

图8示出了第一组支线中的每个支线包括连接至该支线的电容器cx的电感器lx的实施方式。第一组中的每个支线的过零信息通过感测电路600获得，该感测电路600被配置成参考接地对该支线的电感器lx两端的电压vlx进行感测。电感器电压测量结果被提供给控制器110。控制器110基于这些电压测量结果来解决感测每个电感器lx两端的电压vlx的过零中的失配。根据过零点，可以由控制器110计算(估计)相应谐振电流ilx的相移。控制器110基于相应电感器lx两端的电压的过零感测信号的失配来调节相应支线的pwm信号。

图9示出了开关电容转换器700的另一实施方式，该开关电容转换器700感测或估计转换器700的每个支线的谐振电流或感测到的电容器电压的导数，并且使用该过零信息来实现对转换器700的每个支线的准确的zcs或近似的zcs控制。图9所示的实施方式类似于图1所示的实施方式。然而，不同的是，整流器108的每个支路由集成功率级702来实现。

图10示出了被实现为集成功率级702的整流器108的一个半桥，该集成功率级702包括该半桥的单独的开关装置q7/q8、相应的驱动器和控制电路等。集成功率级702还包括用于感测通过相应的整流器支路的电流(ilx)的感测电路。根据该实施方式，每个整流器支路与其他支路独立(分离)，并且开关电容转换器700的相应支线的每个电容器端子单独地耦接至相应的集成功率级702。每个功率级702直接提供表示单独的支线电流的电流信息(ilx)。每个支线的过零信息从由耦接至该支线的支路的集成功率级702提供的感测到的电流信息得到。本实施方式可以使用任何集成的电流感测方法。每个整流器支路可以被实现为并联耦接的一个或更多个集成半桥。

诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各种元素、区域、部分等并且也不旨在是限制性的。在整个说明书中相似的术语指代相同的元素。

如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，其指示存在元素或特征，但不排除其他元素或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文另有明确指示。

应当理解，除非另外特别指出，否则本文中所描述的各种实施方式的特征可以彼此组合。

尽管本文中说明和描述了特定实施方式，然而本领域的普通技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的范围的情况下用各种替选和/或等同的实现来替代所示出和描述的特定实施方式。本申请旨在覆盖本文中讨论的特定实施方式的任何修改或变型。因此，旨在本发明仅由权利要求书及其等同方案限制。