用于连接两个电压水平的模块化转换器的制作方法

1.本公开涉及直流
‑
直流(dc
‑
dc)功率转换器电路。


背景技术：

2.两个不同电压域之间的功率转换可以包括输入电源和负载，该输入电源是系统的能量源，该负载从该系统消耗功率。电源和负载中的每一个可以具有不同的电压额定值，并且还可以具有不同的特性。


技术实现要素：

3.通常，本公开描述了实现隔离的功率转换器电路拓扑的技术。功率转换器电路拓扑可以包括电平移位器或低侧电容器，其可以被配置为既提供电容性隔离、又提供在堆叠或交错的互连配置中布置的功率转换器电路之间的钳位。通过控制到功率转换器电路、每个功率转换器电路以及功率转换器电路的堆叠互连的驱动信号，可以操作以在正向或反向方向上将功率从一个电压电平转换为第二电压电平。在直流(dc)电池的示例中，功率转换器电路的堆叠或交错的互连可以进一步被配置为平衡从多单体dc电池的每个单体汲取的电荷水平和功率量。
4.在一个示例中，本公开针对一种电路，包括：高侧电容器和低侧电容器；初级侧，包括第一输入元件、第一输出元件、第一参考元件。初级侧被配置为在第一输入元件处接收输入电压。该电路还包括次级侧，该次级侧包括第二输入元件、第二输出元件和第二参考元件，其中低侧电容器被连接在第一参考元件与第二参考元件之间，其中高侧电容器将第一输出元件耦合至第二输入元件，并且其中，次级侧被配置为向耦合在第二输出元件与第二参考元件之间的负载供电。
5.在另一示例中，一种系统包括：第一电路，包括第一高侧电容器和第一低侧电容器；第一初级侧，包括第一输入元件、第一输出元件，第一参考元件。初级侧被配置为在第一输入元件处接收第一输入电压，第一次级侧包括第二输入元件、第二输出元件和第二参考元件，其中第一低侧电容器被定位在第一参考电压和第二参考元件之间，其中第一高侧电容器将第一输出元件耦合至第二输入元件。该系统还包括第二电路，该第二电路包括：第二高侧电容器和第二低侧电容器；第二初级侧，包括第三输入元件、第三输出元件、第三参考元件。第二初级侧被配置为在第三输入元件处接收第二输入电压，第二次级侧包括第四输入元件和第四输出元件。第二低侧电容器被定位在第三参考元件与第二参考元件之间。第二高侧电容器将第三输出元件耦合至第四输入元件，并且第二输出元件被连接至第四输出元件。第一电路和第二电路被配置为：跨第一电路和第二电路转换功率，第一输入元件被连接至第三参考元件，并且第二低侧电容器被配置为将第二输入电压钳位到第一输入电压。
6.在另一个示例中，本公开针对一种方法，该方法包括：通过电路接收被施加在电路的输入元件与电路的第一参考元件之间的输入电压，通过电路在电路的输出元件与电路的第二参考元件之间供给输出电压。第一参考元件和第二参考元件通过低侧电容器电连接，
该低侧电容器被配置为将第一参考元件与第二参考元件隔离，并且通过电路将功率经由耦合电容器从输入元件耦合至输出元件。
7.在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个示例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本公开的其他特征，目的和优点将是显而易见的。
附图说明
8.图1是说明根据本发明的一种或多种技术的用于连接两个不同电压域的示例功率转换器的框图。
9.图2是示出根据本公开的一种或多种技术的用于连接两个不同的电压域的堆叠的、模块化的、隔离的示例功率转换器的框图。
10.图3是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离的功率转换器电路的示例实施方式的示意图，该电路具有电容性隔离。
11.图4a和图4b是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的示例实施方式的图示的充电和放电阶段的示意图。
12.图5a
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5e是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个示例实施方式的充电和放电阶段的时间图。
13.图6a是说明根据本发明的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个示例实施方案的启动期间的电压和电流的时间图。
14.图6b是说明根据本发明的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个示例实施方案的稳态期间的电压和电流的时间图。
15.图6c是说明根据本发明的一种或多种技术的三级功率转换器的示例操作的时间图。
16.图7是示出了以堆叠和交错配置的组合布置的本公开的隔离的功率转换器的示意图。
17.图8a是示出本公开的功率转换器电路的交错布置的第二示例的示意图。
18.图8b是示出图7的交错布置的性能的时间图。
19.图9是示出根据本公开的一种或多种技术的功率转换器的示例性操作的流程图。
具体实施方式
20.本公开描述了用于使用基于转换器拓扑的隔离版本的功率转换系统(例如，c
ù
k、sepic、zeta或其变体)在两个不同电压域之间进行功率转换的技术。本公开描述了向转换器拓扑结构添加诸如电容器或电平移位器之类的隔离组件。功率转换系统包括可以以堆叠或交错配置互连的多个隔离的功率转换器。
21.两个域中的第一域可以包括输入电源，该输入电源是系统的能源。第二域被连接至输出，该输出可以包括使用来自功率转换系统的功率的负载。功率转换系统每一侧上的域可能具有不同的额定电压，也可能具有不同的特性(直流或交流)。输入电源和输出负载也可能呈现不同类型的互连，例如多个单体的堆叠连接、多个单体的并行连接以及类似的互连。将输出负载的功率分成多相或多模块化的转换器，为高功率转换提供了解决方案。
22.本公开的功率转换系统可以被配置为提高功率容量，以便在功率开关和无源组件
的限制内提供高负载需求，该功率开关和无源组件可以限制能从输入电源传输到负载的功率量。利用模块化方法，本公开的功率转换器可以增加多相系统的功率密度。本公开的模块化方法在所有模块之间分配总负载电流，并且在输入单体电压电平中分配半导体额定电压。修改功率转换器拓扑以创建隔离的功率转换器，可以使功率转换器具有堆叠式或交错式输入电源互连，而不会出现非隔离的功率转换器可能出现的短路风险。
23.图1是说明根据本发明的一种或多种技术的用于连接两个不同电压域的示例功率转换器的框图。在本公开中，功率转换器100也可以被称为功率转换系统。
24.在图1的示例中，功率转换器100(简称系统100)包括控制器120、dc
‑
dc转换器130、可以包括电池102和辅助电源103的输入域、以及可以包括负载104的输出域。输入域的电压可以与输出域的电压相同。在其他示例中，输入域的电压的大小可以大于或小于输出域的电压的大小。在一些示例中，来自控制器120的一个或多个驱动信号可以被配置为将输入电压的第一大小改变为输出电压的第二大小，其中第一大小不同于第二大小。
25.可以使用几种拓扑中的任何一种来实现dc
‑
dc转换器130。在图1的示例中，dc
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dc转换器130包括功率级106、初级驱动器电路块108、次级驱动器电路块110、初级侧上的感测电路块112a和次级侧上的感测电路块112b。功率级106、初级驱动器电路块108和次级驱动器电路块110可包括隔离特征，例如电容器、电平移位器或类似技术(图1中未示出)，以将输入域与输出域隔离。另外，dc
‑
dc转换器130的组件可以包括保护电路块，例如过电压、过电流、过温断开开关和其他类似的保护特征(图1中未示出)。
26.初级驱动器电路块108和次级驱动器电路块110可以包括诸如放大器、滤波器之类的电路块，以及用于驱动功率级106的组件的类似电路块。来自初级驱动器电路块108和次级驱动器电路块110的信号可以驱动功率开关的控制端子，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的、绝缘栅双极晶体管(igbt)的栅极、或包含的其他类型的功率开关的其他控制端子。在其他示例中，来自控制器120的信号可以直接驱动功率级106的组件。在一些示例中，例如对于zeta转换器，功率开关可以放置在负供电轨上，这可以消除对电平移位器电路块的需求。换句话说，在某些示例中，电平移位器可能不接地。dc
‑
dc转换器130的一些示例可能不需要隔离的栅极驱动器。
27.系统100可以包括一个或多个辅助电源、例如辅助电源103，其可以被包括以增强初级侧。在其他示例中，辅助电源的其他用途可包括作为同步整流栅极驱动器ic(次级侧)和感测来自控制器120中的控制电路块的电源。在一些示例中，辅助电源可以被包括在次级侧、或可以被连接在其他位置(图1中未显示)。在一些示例中，可以使用多个堆叠的电池单体来实现电池102以实现期望的输出电压。
28.感测电路块112a和112b可以包括用于测量dc
‑
dc转换器130的电压、电流、温度和其他特性的组件和电路块。感测电路块112a和112b可以从控制器电路块120接收命令，并且可以发送指示由感测电路块112a和112b感测的特性值的信号。
29.控制器120可以被配置为与感测电路块112a和11b以及初级驱动器电路块108和次级驱动器电路块110通信。在一些示例中，来自控制器120的驱动信号可以使功率从输出域传输到输入域。尽管术语“负载”可以解释为从电源汲取功率，但在某些示例中，负载104可以被配置为向例如电池102提供功率。作为一个示例，通常可以考虑使用汽车中的12v电源插座为负载(例如，电动装置)供电。但是在某些示例中，可以将诸如汽车电池充电器之类的
装置或设备插入12v电源插座中，并用于给汽车电池充电。以这种方式，12v电源插座“负载”为汽车电池供电，该汽车电池在正常操作中可以是12v电源插座的电源。类似地，来自控制器120的驱动信号可以使功率从负载104传递到输入域，例如辅助电源103和/或电池102。
30.在一个或多个示例中，可以以硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现上述功能。例如各种组件、诸如图1的控制器120可以以硬件、软件、固件或它们的任何组合来实现。如果以软件实现，则功能可以存储在有形的计算机可读存储介质上，并由处理器或基于硬件的处理单元执行。
31.指令可以由一个或多个处理器执行，例如一个或多个dsp、通用微处理器、asic、fpga或其他等效的集成或离散逻辑电路块。因此，如本文所使用，术语“处理电路块”或“处理器”可以指任何前述结构或适合于实现本文描述的技术的任何其他结构。同样，该技术可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
32.本公开的技术可以在多种设备或器件中实施，包括集成电路(ic)或一组ic(例如，芯片组)。在本发明中描述各种组件、模块或单元，以强调被配置为执行所揭示技术的装置的功能方面，但不一定需要由不同硬件单元来实现。相反，如上所述，各种单元可以组合在硬件单元中，或者由互操作的硬件单元(包括如上所述的一个或多个处理器)的集合提供。
33.根据本公开的技术的功率转换器系统可以提供优于其他类型的功率转换器的若干优点。将输出负载的功率拆分到多相或多模块化的转换器的模块化方法可以提供高功率转换，同时在所有模块之间拆分总负载电流。模块化方法还可通过减小输入单体电压电平来拆分dc
‑
dc转换器130的电路块的半导体电压额定值。较低电压额定值的组件可能会使得功率转换器的成本降低。
34.选择功率转换器拓扑也可以提供优点。拆分输入和输出的模块化方法的一些示例可能包括每个阶段的变压器。变压器可以提供电流隔离，但是可能与本公开的技术相比昂贵、庞大和沉重。例如，本公开的隔离式功率转换器可以使用一半的半导体量，并且它不需要高频变压器。
35.图2是示出根据本公开的一种或多种技术的用于连接两个不同的电压域的堆叠的、模块化的、隔离的示例功率转换器的框图。功率转换器系统200是以上关于图1描述的功率转换器系统100的示例。
36.系统200的示例包括以堆叠布置互连的n个功率转换器。在其他示例中，系统200的n个功率转换器可以以交错布置(图2中未示出)连接。与图1的系统100一样，系统200包括输入域，该输入域可以包括电池202和辅助电源(图2中未示出)。系统200还可以包括输出域，该输出域可以包括负载230。输入域的电压的大小可以等于、大于或小于输出域的电压。
37.系统200还可以包括控制器220，该控制器是以上关于图1所描述的控制器120的示例，并且可以包括与控制器120相同的功能和特性。控制器220可以向n个功率转换器发送控制信号，并从每个功率转换器接收状态和传感器信号。图2的示例示出来自控制器220的控制信号，该控制器被连接至并联的每个功率转换器(dc
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dc a 232至dc
‑
dc n 238)。在其他示例中，控制器220可以被连接至第一功率转换器，例如dc
‑
dc n 238，并且信号可以经过第一功率转换器和串联的每个其他功率转换器(图2中未示出)。
38.图2的示例示出负载230作为由n个功率转换器中的每一个供给的单个负载。在其他示例中，负载230可以被实现为几个不同的负载，其中每个不同的负载由单个功率转换
器、例如功率放大器dc
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dc b234(图2中未显示)供给。换句话说，系统200可以被配置为以多达n个不同的输出电压从输出元件282、284、286和288输出功率分布。在其他示例中，不同的负载可以由多组功率转换器供给，例如dc
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dc a 232和dc
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dc b 234可以供给第一负载，而dc
‑
dc c 236可以供给第二负载，依此类推(图2中未显示)。负载230(或可以是系统200的一部分的其他负载)的示例可以包括电池、电动机、照明器件、控制电子器件和其他类似的负载。
39.在图2的示例中，电池202是包括单体a 240、单体b 242、单体c 244至电池n 246的多单体电池。根据本公开的模块化方法，系统200的功率转换器以跨接的方式连接电池202的每个单体。换句话说，每个功率转换器的输入元件和参考元件分别以跨接的方式连接电池202每个单体的正极和负极端子。通过这种方式，系统200将来自输入和输出的功率拆分到多个模块化转换器。因此，系统200的模块化方法拆分所有模块之间的总负载电流，并且对于每个dc
‑
dc转换器模块中的组件拆分半导体电压额定值。在一些示例中包括低侧电容器或电平移位器的功率转换器拓扑可能会创建隔离的功率转换器，从而使功率转换器模块具有堆叠式或交错式输入电源互连，而不会存在与非隔离式功率转换器一起使用时出现的短路风险。
40.系统200可以包括第一电路，例如功率转换器dc
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dc a 232。dc
‑
dc a 232可以包括第一高压侧电容器262和第一低侧电容器260，它们被布置为将第一初级侧250与第一初级侧250隔离。虽然在图2的示例中描述为单个电容器，但在其他示例中，图2中的任何一个电容器都可以实现为并联和串联的多个电容器。电容器布置(例如并或串联)可以基于针对每个功率转换器的隔离和保护功能以及其他性能功能。在其他示例中，电容器260(或图2中的任何其他电容器)可以被实现为电平移位器。
41.初级侧250可以包括输入元件271和被连接至高侧电容器262的第一端子的第一输出元件、以及被连接至参考电压215a的第一参考元件。初级侧250可以被配置为在第一输入元件271处从单体a 240接收第一输入电压。
42.dc
‑
dc 232a的次级侧252可以包括第二输入元件251，该第二输入元件被连接至电容器262的与初级侧250的输出元件相反的端子。换句话说，第一高侧电容器262将第一输出元件耦合至第二输入元件251。次级侧252还可以具有第二输出元件280和连接至第二参考电压215b的第二参考元件。
43.在图2的示例中，第一低侧电容器260被定位在初级侧250的第一参考元件于次级侧252的第二参考元件之间。低侧电容器260可以在初级侧250与次级侧252之间提供电容性隔离。在一些示例中，低侧电容器260可以被电串联在初级侧250的第一参考元件与次级侧252的第二参考元件之间。
44.在图2的示例中，参考元件是例如次级侧252的、初级侧250的、次级侧254等等的电路的端子。参考元件可以被电连接至参考电压215a和215b之一。在一些示例中，参考电压215a和215b是分开的参考电压。在其他示例中，参考电压215a和215b被电连接并且处于相同的电势。当参考电压215a和215b被电连接时，低侧电容器260可能无法在初级端250和次级端252之间提供隔离。但是如果例如在被连接至参考电压215a或215b的电路块中存在故障、或者参考电压215a和215b之间的连接断开，则低侧电容器260仍然可以提供有用的保护功能。
45.为了简化描述，在本公开中，“端子”可以描述电容器和电池单体的电连接点。“元件”可以描述至电路上的其他连接点的电连接。然而，这些术语在本公开中是可互换的。例如，输入元件和输入端子可以是相同类型的电连接。
46.系统200还包括第二电路dc
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dc b 234，其类似于dc
‑
dc a 232，包括高侧电容器264和低侧电容器263。dc
‑
dcb 234的初级侧253可以包括第三输入元件273、第三输出元件和第三参考元件272。初级侧253被配置为在第三输入元件273处从单体b 242接收第二输入电压。dc
‑
dcb 234的次级侧254可包括第四侧输入元件241和第四输出元件282。在系统200中，用于次级侧252的第二输出元件280被连接至用于次级侧254的第四输出元件282，并且可以被电连接至负载230。如上所述，输出元件282和280可以向负载230提供功率，或者在其他示例中可以接收要传输到输入元件273和271的功率。
47.每个功率转换器电路的每个高侧电容器和低侧电容器可以形成电容分压器。在一些示例中，高侧电容器264具有与低侧电容器263大约相同的特性。该特性的一些示例可以包括：电容，额定电压，泄漏额定值，以及电容器类型，例如陶瓷、钽或形成为集成电路的一部分。在其他示例中，高侧电容器264的一个或多个特性(例如电容)可能与低侧电容器263不同。在一些示例中，电容器的特性在每个功率转换器电路之间可能不同，而在其他示例中，一些电容器特性在功率转换器电路之间可以近似相同。在本公开的上下文中，“近似相同”是指在制造和测量公差内相等。
48.用于初级侧250的第一输入元件271被连接至dc
‑
dc b 234的用于初级侧253的第三参考元件272。第二高侧电容器264将第三输出元件从初级侧253耦合至次级侧254的第四输入元件241。在一些示例中，例如对于配置有zeta拓扑的模块化转换器电路，高侧电容器可以被配置为作为飞跨电容器工作。
49.低侧电容器263被定位在第三参考元件272与次级侧254的、被连接至参考电压215b的参考元件之间。与dc
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dc a 232的低侧电容器260一样，低侧电容器263可以在初级侧253和次级侧254之间提供电容性隔离。低侧电容器263可以被电串联在初级侧253的参考元件272和次级侧254的参考元件之间。低侧电容器263可以将来自单体a 240的电压钳位在参考元件272处。
50.第一电路dc
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dc a 232和第二电路dc
‑
dc b 234被配置为跨dc
‑
dc a 232和dc
‑
dc b 234转换功率。在一些示例中，如上所述，dc
‑
dc a 232和dc dc
‑
dc b 234可以向负载230供电，该负载可以耦合在输出元件280和282和参考电压215b之间。而且，如以上关于图1所描述的，在一些示例中，控制器220可以输出信号以使功率从“输出域”被供应到“输入域”，以便给电池202充电。换句话说，控制器220可以使第一电路dc
‑
dc a 232和第二电路dc
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dc b 234将功率从次级侧输出元件280和282传输到第一输入元件271和第三输入元件273。系统200中其余的dc
‑
dc转换器电路、例如dc
‑
dc c236到dc
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dc n 238也可以配置为在任一方向上跨dc
‑
dc转换器电路转换功率。
51.如以上关于图1的感测电路块112a和112b所描述的，一个或多个模块化转换器电路可以包括感测电路块(图2中未示出)。感测电路块可以可操作地耦合至控制器220。感测电路块可以被配置为监视系统200的一个或多个模块化转换器电路的一个或多个参数，并且将一个或多个参数的状态传达给控制器。一些示例性参数可以包括电池202的单体的输入电压、从输出元件传输的电流、放电速率、充电速率、功率转换器电路的一个或多个部分
的温度、以及类似的参数。在一些示例中，单体电压可以用于确定单体放电水平。
52.类似于第二转换器电路模块dc
‑
dc b 234，转换器电路模块dc
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dc c 236包括高压侧电容器266和低侧电容器265。dc
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dc c 236的初级侧255可以包括输入元件275、被连接至高侧电容器266的输出元件、和参考元件274。初级侧255被配置为在输入元件273处接收来自单体c 244的输入电压。dc
‑
dc c 236的次级侧256可以包括输入元件243，其通过高压电容器266被连接至初级侧255的输出元件。次级侧256的输出元件284可以被电连接至负载230以及输出元件286、282和280，如图2的示例中所示。参考元件274也被连接至输入元件273和单体b 242的正极。
53.低侧电容器265被定位在参考元件274与次级侧256的参考元件之间。用于次级侧256的参考元件被连接至参考电压215b，并且因此，在某些示例中可以被电连接至参考电压215a。
54.如同dc
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dc b 234的低侧电容器263一样，低侧电容器265可以在初级侧255与次级侧256之间提供电容性隔离。低侧电容器265可以电串联在初级侧255的参考元件274和次级侧256的参考元件之间。类似于电容器263，低侧电容器265可以将来自单体c 244的电压钳位在参考元件274处。换句话说，低侧电容器265可以将参考元件274处的电压钳位为在单体c 244下面堆叠的所有电池单体的总和。如图2所示，低侧电容器265可以钳位单体b 242和单体a 240的电压之和。
55.类似地，在dc
‑
dc c 236上方顺序堆叠的用于下一个转换器电路模块的低侧电容器(图2中未示出)将针对单体a 240、单体b 242和单体c 244上的电压之和钳位电压，以及在堆叠中下一个转换器的初级侧和次级侧之间提供电容性隔离。以这种方式，具有例如由低侧电容器提供的附加隔离和钳位特征的本公开的转换器电路模块的拓扑结构允许待堆叠的转换器电路模块在模块之间划分电流和电压额定值。
56.转换器电路模块dc
‑
dc n 238的功能类似于dc
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dc c 236和dc
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dc b 234。具体而言，dc
‑
dc n 238可以包括高压侧电容器268和低侧电容器267。dc
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dc n 238的初级侧257可以包括输入元件277、被连接至高侧电容器268的输出元件、以及参考元件276。初级侧257被配置为在输入元件277处从单体n 246接收输入电压。dc
‑
dc n 238的次级侧258可以包括通过高侧电容器268被连接至初级侧257的输出元件的输入元件245。次级侧258的输出元件286可以被电连接至负载230以及输出元件284、282和280。参考元件276也被连接至单体n
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1(图2中未示出)的输入元件和单体n 246的负极。
57.低侧电容器267被定位在参考元件276与用于次级侧的参考元件258之间，次级侧被连接至参考电压215b。
58.与dc
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dc b 234的低侧电容器263一样，低侧电容器267可以在初级侧257与次级侧258之间提供电容性隔离。类似于电容器265，低侧电容器267可以将参考元件276处的电压钳位作为所有n
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1及以下单体的总和。换句话说，低侧电容器267被配置为将输入元件277处的电压钳位到在参考元件276与第一参考电压215a之间的n
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1个输入电压之和。
59.如上所述，在一些示例中，参考电压215a和215b可以连接在一起。当215a和215b被电连接时，用于dc
‑
dc a 232的电容器260则不提供电容性隔离。然而，即使在215a和215b被电连接时，电容器263、265以及直到dc
‑
dc n 238的电容器268仍继续充当低侧电容器，以将初级侧参考元件与次级侧参考元件隔离。
60.在图2的示例中的转换器电路的布置可以提供与其他类型电路相比的若干优点。例如，如果由于开路、短路或以其他方式禁用而导致电池202的一个单体丢失，则系统200的布置提供了冗余和功能安全性。例如即使单体c 244不可用，其余单体和转换器电路也将继续运行，从而提供隔离和电源转换。
61.在图2的示例中的转换器电路的布置可以提供保护免受负载侧或电池侧短路的附加特征。例如，电容器265和266可以保护单体c 244免受输出元件282与参考元件215b之间的意外短路的影响。短路自我保护特征还可以在交错布置(图2中未示出)以及图2中描绘的堆叠布置中起作用。
62.系统200的模块化方法还可以提供电池202的单体平衡。例如，控制器220可以确定一个或多个电池单体具有与其他电池单体不同的放电水平。控制器220可以调节模块化功率转换器电路的操作以平衡电池202的电池单体的放电水平。作为一个示例，基于来自与dc
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dc b 234相关联的一个或多个传感器(图1中未示出)的信号，控制器220可以确定单体b 242的放电水平可以不同于电池202的其他单体。例如，单体b 242的放电水平可以大于与其他单体的中值或平均放电水平的阈值差。控制器220可以调整至dc
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dc b 234的控制信号，以从单体b 242汲取较少的功率，直到单体b 242的放电水平与电池202的其余单体平衡为止。类似地，当对电池202充电时，控制器220可以管理每个模块化功率转换器电路的充电速率，以使电池单体的充电水平保持平衡。
63.图3是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离的功率转换器电路的示例实施方式的示意图，该电路具有电容性隔离。电路300是以上关于图2描述的任何转换器电路模块dc
‑
dc a 232
–
dc
‑
dc n 238的示例实施方式。图3的示例中的电路300被实现为zeta拓扑，其中低侧电容器c2 364提供了附加的隔离。在其他示例中，电路300可以被实现为其他隔离的拓扑，例如sepic、c
ù
k或其他相关拓扑。在电路300的示例中，当功率从单体a 340被转换至连接负载330的输出元件380时，电路300以zeta配置工作。在其中功率在相反方向上从“输出”端子380转换至“输入”端子371的示例中，电路300可以被认为以sepic配置工作。
64.在图3的示例中，电路300包括初级侧350、次级侧352、高压侧电容器c1 362和低侧电容器c364。初级侧350包括第一输入元件371、第一输出元件372、连接至参考电压315a的第一参考元件373。初级侧350被配置为在第一输入元件371处从单体a 340接收输入电压。
65.电路300还包括次级侧352，次级侧具有第二输入元件374、第二输出元件380、和被连接至参考电压315b的第二参考元件375。低侧电容器c2 364被定位在第一参考元件373与第二参考元件375之间。在电路300的示例中，电容器c2 364被串联连接在第一参考元件373和第二参考元件375之间。如以上关于图2描述的，在其他示例中，低侧电容器c2 364的隔离和保护功能可以由电平移位器提供。高侧电容器c1 362将第一输出元件372耦合至第二输入元件374。
66.初级侧350包括n沟道mosfet m1 320和电感器l1 326。m1320的漏极充当第一输入元件371，m1的源极充当第一输出元件372。电感器l1 326被串联地定位在第一输出元件372与第一参考元件373之间，该电感器被连接至低侧电容器c2 364的一个端子。m1 320的栅极被配置为接收驱动信号332。在一些示例中，驱动信号332可以来自控制电路块，例如作为以上关于图1和图2描述的控制器120和控制器220。在其他示例中，驱动信号332可以来自驱动器电路块，诸如图1中描绘的初级驱动器电路块108。
67.次级侧352包括n沟道mosfet m2 322、电感器l2 328和第三电容器c3 324。m2 322的漏极被连接至第二输入元件374，而mosfet m2 322的源极被连接至第二参考元件375。电感器l2 328被串联定位在第二输入元件374与被连接至负载330的第二输出元件380之间。电容器c3 324被串联定位在第二输出元件380与第二参考元件375之间。
68.mosfet m2 322在m2 322的栅极处接收驱动信号334。尽管在电路300的示例中被描绘为mosfet，但是在其他示例中，mosfet m1 320和mosfet m2 322可以由其他类型的功率开关代替，例如gan开关、igbt或类似开关。
69.如以上关于图2针对参考电压215a和215b所描述的，在一些示例中，参考电压315a和315b可以被连接在一起，而在其他示例中，参考电压315a可以与315b隔离。当参考电压315a和315b被连接在一起时，低侧电容器c2 364可以在发生故障的情况下提供保护功能。当参考电压315a与315b隔离时，低侧电容器同时提供隔离和保护功能。与315b隔离的参考电压315a的示例在以上关于图2描述的dc
‑
dc转换器dc
‑
dc b 234
–
dc
‑
dc n 238的示例中被描绘，在图2中，低侧电容器将初级侧参考端子与次级侧参考端子隔离。
70.在电路300的示例中，初级侧350和次级侧352形成具有zeta拓扑的转换器。电路300的zeta拓扑中的输出元件380可以被认为是浮动输出。在其他示例中，初级侧350和次级侧352可以被重新布置以形成sepic拓扑(图3中未示出)。类似地，以上关于图2描述的dc
‑
dc转换器dc
‑
dc a 232
–
dc
‑
dc n 238的初级侧和次级侧可以被布置为zeta、sepic、c
ü
k或类似的拓扑。
71.电路300的次级侧352的布置可以提供冗余和可用性特征。例如，在转换器、诸如以上关于图2所描述的系统100中的转换器布置故障的情况下，开关m2 322可以用作旁路开关。例如，在单体a 340发生故障或损坏的示例中，闭合开关m2 322可以绕过单体a 340。因此，包括功率转换器电路300的系统可以节省为电池阵列中的每个电池提供单独的旁路开关的成本和复杂性。
72.当与诸如使用降压转换器的多相解决方案的其他拓扑相比时，zeta电路块在材料清单中也仅具有两个开关。而且，降压转换器没有被隔离并且不能被堆叠，如例如在以上关于图2所描述的系统200中所示的。
73.图4a和图4b是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的示例实施方式的图示的充电和放电阶段的示意图。
74.图4a和图4b的电路是以上关于图3描述的电路300的示例。图4a描绘了放电阶段，其中mosfet m2 322断开并且mosfet m1 320闭合。在放电阶段，第一电流404从单体a 340的正端子在由mosfet m1 320、经过电感器l1 326形成的环路中流动，并流到单体a 340的负端子。第二电流402从单体a 340的正端子在由mosfet m1320、经过高侧电容器c1 362、电感器l2 326、电容器c3 324、低侧电容器c2 364形成的环路中流动，并流到单体a 340的负端。
75.图4b描绘了充电阶段，其中mosfet m2 322闭合并且mosfet m1 320断开。在充电阶段期间，第一电流406在由m2 322形成的环路中流动到c1 362、l1 326和c2 364。而且，第二电流408在由m2322、l2 326和c3 324形成的环路中流动。
76.图5a
–
5e是示出根据本公开的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个示例实施方式的充电和放电阶段的时间图。图5a
–
5e的示例示出了电路中的各种电压和
电流经过两个充放电循环的示例特性，所述电路例如是以上关于图3描述的电路300。图5a
–
5e中描述的组件与电路300中所描绘的组件相同。注意，对于其他电路实施方式，图5a
–
5e中描述的特定表现可能与以下描述的细节有所不同。
77.在图5a中，经过开关m1的电流i
m1 405在放电阶段402a和402b期间从小于ioutput 410增加到大于ioutput 410。在图5a的示例中，开关电流i
m1 405从倾斜到在开关m1断开的同时，在充电阶段404a和404b期间，在开关m1两端的电压v
m1 408从增加到到其中在图3的示例中的vinput是单体a 340两端的电压，而voutput是负载330两端的电压。
78.在图5b中，在充电阶段404a和404b期间，经过开关m2的电流i
m2 414增加。与以上关于图5a描述的开关m1类似，在图5b的示例中，开关电流i
m2 414从倾斜到倾斜到在放电阶段402a和402b期间，开关m2两端的电压v
m2 416从增加到
79.图5c示出了经过高侧电容器c1和低侧电容器c2的电流和电压大致相同，因为电流i
c2 419和i
c1 418在放电阶段402a期间从418在放电阶段402a期间从倾斜下降到电流i
c2 419和i
c1 418在充电阶段也倾斜下降，但从大于平均输入电流i
l1
‑
av 412的倾斜下降至电压v
c1 420和v
c2 421在放电阶段402a和402b期间倾斜下降，并且在充电阶段404a和404b期间在和之间倾斜上升。
80.图5d和5e示出了经过电感器l1和l2的电流是相似的。在放电阶段402a和402b期间，电流i
l1 422和i
l2 426两者均倾斜上升。i
l1
从小于i
l1
‑
av 412的倾斜到而i
l2
从小于i
l2
‑
av 490的倾斜到在充电阶段404a和404b期间，电流i
l1 422和i
l2 426均倾斜下降。
81.在放电阶段402a和402b期间，在l1两端的电压v
l1 424大约为输入电压vinput，并且在充电阶段404a和404b期间在且在充电阶段404a和404b期间在和之间倾斜。相反，v
l2 428在放电阶段402a和402b期间近似为输出电压voutput，并且在充电阶段404a和404b期间经过v
input
+v
c1，2
(492)在和之间倾斜。
82.图6a是说明根据本发明的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个
示例实施方案的启动期间的电压和电流的时间图。在图6a中描述的组件对应于以上关于图3的电路300所描述的组件。曲线图440示出了在启动期间参考端子375与输出元件380之间的输出电压的示例特性。曲线图442示出了跨过低侧电容器c2 364的电压斜坡上升至近似恒定的电压。如以上关于图2所描述的，低侧电容器c2 364被配置为钳位用于堆叠中较低的dc
‑
dc转换器电路模块的电压。曲线图444示出了高侧电容器c1 362如何在稳定之前具有一些过冲。曲线图448示出了经过初级侧电感器l1 326的电流，并且曲线图446示出了经过次级侧电感器l2 328的电流。
83.图6b是说明根据本发明的一种或多种技术的隔离式zeta功率转换器电路的一个示例实施方案的稳态期间的电压和电流的时间图。曲线图450示出了示例性驱动信号，该示例性驱动信号可以被传递至开关m1，例如至mosfet m1 320的栅极
‑
源极电压。曲线图452示出了稳态输出电压。曲线图454示出了高侧电容器c1 362的电压特性。曲线图453示出了低侧电容器(c2)如何钳位参考端子的电压。曲线图456示出了稳态期间电感器电流的特性。
84.图6c是说明根据本发明的一种或多种技术的三级功率转换器的示例操作的时间图。可以生成图6c时间图示例的示例三级功率转换器可以被在图2中看作被连接至单个负载、例如负载230的三个转换器电路模块dc
‑
dc a 232、dc
‑
dc b 234和dc
‑
dc c 236的布置。
85.曲线图460显示了三级功率转换器从启动到稳态的输出电压。曲线图462描绘了曲线图460在由460a指示的持续时间内的放大视图。类似地，曲线图466示出了从启动到稳态的功率转换器的三个转换器电路模块中的每一个的输出电流。曲线图468示出了曲线图466在由464b指示的持续时间内的放大视图。
86.图7是示出了以堆叠和交错配置的组合布置的本公开的隔离功率转换器的示意图。如以上关于图2所描述的，图7的示例示出了可以配置本公开的隔离的功率转换器的一些示例。电池702、电池单体740、742、744和746、负载730、720、722、724和726以及诸如图7中描绘的dc
‑
dc a 732的dc
‑
dc转换器的示例是以上参照图1至图4b描述的电池202、电池单体240、242、244和246、负载230和330以及诸如电路300、dc
‑
dc a 232和dc
‑
dc转换器130的功率转换器电路的示例。电路700的组件可具有与以上关于图1至图4b描述的组件相似的功能和特性。例如，dc
‑
dc功率转换器电路732、734、736、738、750、752、754和756可以实现为zeta、sepic、c
ù
k或其他相关拓扑，并且可以将功率从一个电压电平在任一方向上转换为另一电压电平。
87.类似地，每个功率转换器电路可以包括低侧电容器，该低侧电容器电串联在每个功率转换器的初级侧的参考元件与次级侧的参考元件之间。低侧电容器可以在初级侧与次级侧之间提供电容性隔离。低侧电容器可以将来自堆叠单体的电压钳位在初级侧参考元件处，如以上关于图2所描述的。例如，dc
‑
dc b 734的低侧电容器可以将来自单体740的电压钳位在dc
‑
dc b 734的初级侧参考元件处，该元件也是单体742的负端子。dc
‑
dc a 732和dc
‑
dc b 734以堆叠配置布置，并且dc
‑
dc a 732和dc
‑
dc b 734两者都供给单个负载730，这类似于以上关于图2描述的电路200的布置。
88.功率转换器750、752和dc
‑
dc c 736以交错配置布置，其中每个单独的功率转换器供给单独的负载。dc
‑
dc c 736被连接至负载720。类似地，dc
‑
dc功率转换器750和752分别连接至负载722和724。用于dc
‑
dc c 736的低侧电容器可以将来自单体742的电压钳位在用于dc
‑
dc c 736的初级侧参考元件处，该元件也是单体744的负端子。如以上关于图2描述
的，用于dc
‑
dc c 736的低侧电容器可以钳位来自单体742以及电池702的单体堆叠中较低的所有单体的电压。
89.用于dc
‑
dc功率转换器750和752的低侧电容器(图7中未示出)可以执行与用于dc
‑
dc c 736的低侧电容器相同的功能。初级侧dc
‑
dc功率转换器750和752(图7中未示出)连接至单体744的负极端子，因此可以钳位来自单体742的电压，并提供从初级侧到次级侧的隔离。
90.dc
‑
dc功率转换器756、754和dc
‑
dc d 738的布置形成了堆叠在功率转换器752、750，dc
‑
dc c 736、dc
‑
dc b 734和dc
‑
dc a 732上的交错配置。dc
‑
dc功率转换器756、754和dc
‑
dc d 738均供给单个负载726。如上所述，用于dc
‑
dc功率转换器754和756的低侧电容器(图7中未示出)以及dc
‑
dc c 738的低侧电容器可以执行与dc
‑
dc c 736的低侧电容器类似的功能。初级侧dc
‑
dc功率转换器754和756(图7中未示出)和dc
‑
dc d 738的初级侧被连接至电池746的负极端子，因此可以钳位来自堆叠在电池746下方的所有单体的电压，并提供从初级侧到次级侧的隔离。
91.在电路700的示例中，dc
‑
dc功率转换器754和756以及dc
‑
dcd 738的次级侧被连接至单个参考电压ref1。负载726也被连接至参考电压ref1。相反，dc
‑
dc功率转换器750、752和dc
‑
dc c 736中的每一个可以被连接至单独的参考电压。功率转换器752供给负载724，并且负载724和功率转换器752都连接至参考电压ref4。功率转换器750供给负载722，并且负载722和功率转换器750都连接至参考电压ref3。功率转换器dc
‑
dc c 736供给负载720，并且负载720和功率转换器dc
‑
dc c 736都连接至参考电压ref2。dc
‑
dc a732和dc
‑
dc b 734供给负载730，并且负载730以及dc
‑
dc a 732和dc
‑
dc b 734连接至参考电压ref5。电池702连接至ref6。在某些示例中，所有参考电压ref1
–
ref6都可以被连接至公共节点，因此都处于相同的电压。在其他示例中，一些参考电压可以彼此连接成组，例如ref2、ref3和ref4都可以被连接至不同于ref5的公共节点。在其他示例中，所有参考电压可以是分开的。
92.电路700的示例示出了本公开的功率转换器的几种不同的示例配置。在其他示例中，本公开的功率转换器电路可以以图7中未示出的不同方式布置。例如，dc
‑
dc a 732和dc
‑
dc b 734可以各自供给单独的负载而不是图7所示的单个负载。
93.图8a是示出本公开的功率转换器电路的交错布置的第二示例的示意图。在图8a的示例中，两个功率转换器向单个负载812供给voutput 808。滤波电容器814和负载812并联在voutput 808与参考电压之间，该参考电压在图8a的示例中被描绘为地。转换器802经过电感器li 806连接至voutput 808。转换器804经过电感器lj 810连接至voutput 808。
94.图8b是示出图7的交错布置的性能的时间图。在图8b的示例中，从转换器802输出的电流i
li 820在持续时间dt内倾斜上升，并且在周期t的剩余时间内倾斜下降。用于转换器804的输出电流i
lj 818可以具有相似的特性，但是可以从i
li 820偏移相移
95.图9是示出根据本公开的一种或多种技术的功率转换器的示例性操作的流程图。将参照图2和3描述图9的方框。
96.根据本公开的功率转换器电路可以从诸如多单体电池的一个或多个单体、例如单体a 340的电源接收输入电压。输入电压可以被施加在电路的输入元件、例如371与电路的第一参考元件373之间(90)。在一些示例中，第一参考元件可以被连接至参考电压、诸如315a。
97.电路可以向负载供给输出电压，该负载例如是电池、电动机、照明器件或其他类型的负载，该负载被连接在该电路的输出元件、例如输出元件380与电路的第二参考元件、例如参考元件375之间(92)。输入元件处的输入域的电压的大小可以大于或小于或等于输出元件处的输出域的电压的大小。
98.第一参考元件和第二参考元件通过低侧电容器、例如c2 364或电平移位器电连接。电容器或电平移位器可以被配置为将第一参考元件与第二参考元件隔离。如以上关于图1所描述的，由低侧电容器或电平移位器提供的隔离意味着功率转换器电路可以被堆叠或交错。
99.电路可以将功率从一个域转换到另一域，例如通过经由耦合电容器c1 362、例如高侧电容器c1 362将功率从输入元件耦合至输出元件来实现(94)。通过控制到功率转换器电路的驱动信号，每个功率转换器电路以及功率转换器电路的堆叠互连可以操作以在正向或反向方向上将功率从一个电压大小转换为第二电压大小。
100.还可以在以下示例中描述本公开的技术。
101.示例1.一种电路，包括：高侧电容器和低侧电容器；初级侧，包括第一输入元件、第一输出元件、第一参考元件。初级侧被配置为在第一输入元件处接收输入电压。电路还包括次级侧，其包括第二输入元件、第二输出元件和第二参考元件，其中所述低侧电容器被连接在所述第一参考元件与所述第二参考元件之间，其中所述高侧电容器将第一输出元件耦合至所述第二输入元件，以及其中所述次级侧被配置为向耦合在所述第二输出元件与所述第二参考元件之间的负载供电。
102.示例2.根据示例1所述的电路，其中所述第一侧和所述第二侧形成zeta转换器。
103.示例3.根据示例1至2中任一项或其组合所述的电路，其中所述第一侧包括n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet和电感器，其中：mosfet的漏极包括第一输入元件，mosfet的源极包括第一输出元件，以及所述电感器被串联地定位在所述第一输出元件与所述第一参考元件之间。
104.示例4.根据示例1至3的任意组合所述的电路，其中所述第二侧包括n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet、电感器和第三电容器，其中：mosfet的漏极包括第二输入元件，mosfet的源极包括第二参考元件，所述电感器被串联地定位在第二输入元件与所述第二输出元件之间，所述第三电容器被串联地定位在第二输出元件与所述第二参考元件之间。
105.示例5.根据示例1至4的任意组合所述的电路，其中所述第一侧和所述第二侧形成sepic转换器。
106.示例6.根据示例1至5的任意组合所述的电路，其中所述第一侧被配置为接收第一驱动信号，并且所述第二侧被配置为接收第二驱动信号，其中所述第一驱动信号和所述第一驱动信号由一个或多个处理器控制。
107.示例7.根据1至6的任意组合所述的电路，其中所述一个或多个处理器控制所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，以使所述电路将功率从第二输出元件传输至所述第一输入元件。
108.示例8.根据示例1至7的任意组合所述的电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器具有近似相同的特性。
109.示例9.一种系统，包括：第一电路，包括：第一高侧电容器和第一低侧电容器；第一初级侧，包括第一输入元件、第一输出元件、第一参考元件。所述初级侧被配置为在所述第一输入元件处接收第一输入电压；第一次级侧，包括第二输入元件、第二输出元件和第二参考元件，其中所述第一低侧电容器被定位在所述第一参考元件与所述第二参考元件之间，其中所述第一高侧电容器将所述第一输出元件耦合至所述第二输入元件。该系统还包括第二电路，其包括：第二高侧电容器和第二低侧电容器；第二初级侧，包括第三输入元件、第三输出元件、第三参考元件。所述第二初级侧被配置为在第三输入元件处接收第二输入电压；第二次级侧，包括第四输入元件和第四输出元件。所述第二低侧电容器被定位在第三参考元件与第二参考元件之间。所述第二高侧电容器将第三输出元件耦合至第四输入元件，并且第二输出元件被连接至第四输出元件。所述第一电路和第二电路被配置为跨第一电路和第二电路转换功率，第一输入元件被连接至第三参考元件，并且第二低侧电容器被配置为将第二输入电压钳位到第一输入电压。
110.示例10.根据示例9所述的系统，其中所述第一参考元件被连接至参考电压。
111.示例11.根据示例9至1的任意组合所述的系统，其中所述第二低侧电容器被配置为将所述第二输入电压钳位到所述第二参考元件与所述参考电压之间的输入电压之和。
112.示例12.根据示例11所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述第一电路和所述第二电路的操作。
113.示例13.根据示例11至12的任意组合所述的系统，其中所述控制器使所述第一电路和所述第二电路将功率从所述第二输出元件和第四输出元件传输至所述第一输入元件和所述第二输入元件。
114.示例14.根据示例11至13的任意组合所述的系统，还包括：第一电池单体，被连接在第一输入元件与第一参考元件之间；第二电池单体，被连接在第三输入元件与第三参考元件之间，以及其中所述控制器还被配置为控制所述第一电路和所述第二电路的操作，使得所述第一电池单体的充电水平保持近似等于所述第二电池单体的充电水平。
115.示例15.根据示例11至14的任意组合所述的系统，还包括可操作地耦合至所述控制器的感测电路块，其中所述感测电路块被配置为：监视第一电路和第二电路的一个或多个参数，并将所述一个或多个参数的状态传达给所述控制器。
116.示例16.根据示例11至15的任意组合所述的系统，还包括保护电路块，所述保护电路块被配置为保护所述系统免受一个或多个故障的影响，所述故障包括过电压、过电流和过温。
117.示例17.根据示例11至16的任意组合所述的系统，其中所述第一高侧电容器和第二高侧电容器被配置为各自作为飞跨电容器工作。
118.示例18.一种方法，包括：通过电路，接收被施加在电路的输入元件与所述电路的第一参考元件之间的输入电压；通过所述电路，在所述电路的输出元件与所述电路的第二参考元件之间供给输出电压。所述第一参考元件和所述第二参考元件通过低侧电容器电连接，所述低侧电容器被配置为将所述第一参考元件与所述第二参考元件隔离，以及通过所述电路，将功率经由耦合电容器从所述输入元件耦合至所述输出元件。
119.示例19.根据示例18所述的方法，还包括：通过所述电路，接收至所述电路的第一部分的第一驱动信号，其中所述电路的所述第一部分包括所述输入元件；以及通过所述电
路，接收至所述电路的第二部分的第二驱动信号，其中所述电路的第二部分包括所述输出元件，其中所述第一驱动信号和所述第二信号被配置为：将所述输入电压的第一大小改变为所述输出电压的第二大小，其中所述第一大小不同于所述第二大小。
120.示例20.根据示例18至19的任意组合所述的方法，其中所述电路是第一电路，并且所述输入电压是第一输入电压，所述方法还包括：通过低侧电容器，将所述第一参考元件钳位到第二电路的第二输入电压。
121.已经描述了本公开的各种示例。这些和其他示例在所附权利要求的范围内。