交错式多电平转换器的制作方法

交错式多电平转换器


背景技术：

1.对于电池供电的系统(包括移动电话、平板电脑、笔记本电脑和其他设备)期望高效电源。降压、升压和其他dc/dc转换器使用高侧和低侧驱动器将开关节点交替地连接到输入电压或接地。因此，高侧和低侧驱动器的尺寸设定成承受输入电压电平，并且会受到开关损耗的影响。多电平开关转换器电路使用更多的开关级和一个或多个飞跨电容器，从而导致降低的开关损耗和更高的有效开关频率。多电平开关转换器使得能够使用不一定针对输入电压电平额定的较低额定功率设备，并且与双电平转换器相比，转换器中的各个功率设备可以在降低的频率下运行，甚至同时实现更高的整体开关频率。


技术实现要素：

2.在一个示例中，一种电力转换系统包括第一多电平开关电路、第二多电平开关电路、电感器和控制电路。第一多电平开关电路耦合到开关节点、输入节点和参考节点。第二多电平开关电路耦合到开关节点、输入节点和参考节点，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联设置。电感器耦合在开关节点和输出节点之间。控制电路被配置为基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号，并且将开关控制信号提供到第一多电平开关电路和第二多电平开关电路。
3.在一个示例中，一种将在输入节点处接收到的输入信号转换为在输出节点处的输出信号的方法包括：将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路；将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第二多电平开关电路，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联布置；测量输出信号；基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号；以及将开关控制信号提供到第一多电平开关电路和第二多电平开关电路。
4.在一个示例中，一种集成电路包括耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路和第二多电平开关电路，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联布置。第一多电平开关电路和第二多电平开关电路中的每一个包括由开关控制信号控制的一组开关，该组开关包括耦合在输入节点和第一内部节点之间的第一开关、耦合在第一内部节点和开关节点之间的第二开关、耦合在开关节点和第二内部节点之间的第三开关，以及耦合在第二内部节点和参考节点之间的第四开关。第一多电平开关电路和第二多电平开关电路中的每一个包括耦合到第一内部节点的第一电容器连接特征件和耦合到第二内部节点的第二电容器连接特征件。集成电路包括耦合到开关节点的电感器连接件。
附图说明
5.图1是根据本说明书的一个方面的包括交错式多电平转换器的电力转换系统的框图。
6.图2是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的电路图。
7.图3是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的框图。
8.图4是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的电路图。
9.图5a-图5d是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在四种不同开关条件期间的操作的电路图。
10.图6a-图6d是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在四种不同开关条件期间的操作的电路图。
11.图7a-图7b是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在两种不同开关条件期间的操作的电路图。
12.图8是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的控制电路的框图。
13.图9是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的控制电路的框图。
14.图10是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的示例控制电路的示意图。
15.图11是根据本说明书的一个方面的由交错式多电平转换器的控制电路生成的信号的时序图。
具体实施方式
16.附图不一定按比例绘制。
17.多电平转换器表现出许多优点，包括更高的有效开关频率、将低的开关损耗以及具有更少纹波的输出电流。然而，多电平转换器在调节飞跨电容器电压方面存在设计挑战，并且由于输入电流以开关频率的一半进行切换，因此多电平转换器可能在开关频率的一半处表现出输入电流传导电磁干扰(emi)的单音(tone)。
18.为了克服上述缺点，一种电力转换系统包括具有两个并联多电平开关电路的交错式多电平转换器。在所描述的架构中，输入电流以与开关频率相同的频率进行切换，这消除了对输入电流传导emi的半开关频率单音问题。使多电平转换器部件(除了电感器)上的电流密度减半。由于最大电压摆幅与非交错式多电平转换器中的全输入电压的最大电压摆幅相比减小到输入电压的一半，降低了辐射emi。交错式多电平转换器包括共享输入电压节点、开关节点、参考节点和电感器的两个多电平开关电路。两个多电平功率级由同一组开关信号驱动。
19.在整个说明书中，作为相同或类似部件的示例的部件被分配了具有最后两位数字的相同值的附图标记，而附图标记的(一个或多个)初始数字是基于首次引入它的图号分配的。
20.图1是包括交错式多电平转换器101和控制电路105的电力转换系统100的框图。电力转换系统100至少部分地在包括交错式多电平转换器101和控制电路105的集成电路(为简单起见未示出)上实施。ic还包括输入节点102(例如，ic引脚或焊盘)以接收输入信号(诸如输入电压信号vin)和参考节点104(例如，系接到地或其他参考电压)。ic包括开关节点103(例如，ic引脚或焊盘)以将由交错式多电平转换器101生成的开关信号(诸如电压或电流)输送到电感器195。电感器195(可以在或可以不在ic上实施)耦合到输出节点106，输出节点106被配置为耦合到由电力转换系统供电的负载。
21.在该示例中，电力转换系统100是dc/dc转换器。当供电时，系统100转换输入节点102处的输入信号vin以在输出节点106处提供输出信号vout。在一个示例中，系统100操作
以根据提供到控制电路105的目标信号或值来调节输出信号。目标值可以是内部信号或者可以从外部源提供到控制电路105。
22.多电平交错式转换器101包括第一多电平开关电路110和第二多电平开关电路150。第一多电平开关电路110和第二多电平开关电路150两者耦合到输入节点102、开关节点103和参考节点104。如下文将更详细描述的，多电平开关电路110、150中的每一个包括耦合在输入节点102和参考节点104之间的开关(诸如功率晶体管)。开关由控制电路105基于来自电感器195和/或输出节点106的反馈信号(例如，输出信号)生成的开关控制信号来控制。开关控制信号是脉宽调制信号，其具有由控制电路105选择的占空比以使输出信号与目标信号等值(equivalence)。将参照图8-图11描述与多电平开关电路中的飞跨电容器的平衡控制有关的示例控制电路的某些方面。
23.图2示出了示例电力转换系统200，包括交错式多电平转换器201和控制电路205的示例实施方式。交错式多电平转换器201包括第一多电平开关电路210和第二多电平开关电路250。第一多电平开关电路210是三电平转换器，其包括第一开关212(标记为qa1)、第二开关214(标记为qb1)、第三开关216(标记为qc1)和第四开关218(标记为qd1)，这些开关串联耦合在输入节点202和参考节点204之间。这些开关分别根据开关控制信号d180、d0、d0’和d180’进行操作，以将第一电压信号v1提供到开关节点203。在其他示例中，第一多电平开关电路210可以包括更多或更少的开关以提供n电平转换器，其中n大于2。在该示例中，开关212、214、216和218是功率n沟道mosfet(例如，nmos)晶体管，其可操作以根据对应的有效高开关控制信号接通。在其他示例中，可以使用不同类型的开关(例如，pmos、双极、igbt等)。
24.第一多电平开关电路210的第一开关212包括耦合到输入节点202的漏极和耦合到第一内部节点211的源极。第一多电平开关电路210的第二开关214包括耦合到第一内部节点211的漏极和耦合到开关节点203的源极。第一多电平开关电路210的第三开关216包括耦合到开关节点203的漏极和耦合到第二内部节点219的源极。第一多电平开关电路210的第四开关218包括耦合到第二内部节点219的漏极和耦合到参考节点204的源极。第一多电平开关电路210还包括电容器215，本文称为飞跨(flying)电容器(标记为fc1)。电容器215包括耦合到第一内部节点211的高侧极板213和耦合到第二内部节点219的低侧极板217。在一个示例中，ic包括如图2所示的飞跨电容器215。在另一个示例中，ic包括电容器连接特征件(例如，引脚或焊盘)(未示出)以允许连接外部飞跨电容器215。
25.第二多电平开关电路250是三电平转换器，其包括在输入节点202和参考节点204之间的串联电路中的第一开关252(标记为qa2)、第二开关254(标记为qb2)、第三开关256(标记为qc2)和第四开关258(标记为qd2)。这些开关分别根据开关控制信号d0、d180、d180’和d0’进行操作，以将第二电压信号v2提供到开关节点203。在其他示例中，第二多电平开关电路250可以包括更多或更少的开关以提供n电平转换器，其中n大于2。在该示例中，第一多电平开关电路250中的电平数量与第二多电平开关电路250中的电平数量相匹配。在该示例中，开关252、254、256和258是功率n沟道mosfet(例如，nmos)晶体管，其可操作以根据对应的有效高开关控制信号接通。在其他示例中，可以使用不同类型的开关(例如，pmos、双极、igbt等)。
26.第二多电平开关电路250的第一开关252包括耦合到输入节点202的漏极和耦合到第一内部节点251的源极。第二多电平开关电路250的第二开关254包括耦合到第一内部节
点251的漏极和耦合到开关节点203的源极。第二多电平开关电路250的第三开关256包括耦合到开关节点203的漏极和耦合到第二内部节点259的源极。第二多电平开关电路250的第四开关258包括耦合到第二内部节点259的漏极和耦合到参考节点204的源极。第二多电平开关电路250还包括飞跨电容器255(标记为fc2)。飞跨电容器255包括耦合到第一内部节点251的高侧极板253和耦合到第二内部节点259的低侧极板257。在一个示例中，ic包括如图2所示的飞跨电容器255。在另一示例中，ic包括引脚或焊盘(未示出)以允许连接外部飞跨电容器255。
27.来自多电平开关电路的输出信号v1和v2被提供到耦合在开关节点203和输出节点206之间的电感器295。在该示例中，ic包括用于连接到电感器295的端子的一个或多个外部可访问的电感器连接特征件(例如，引脚或焊盘)，包括耦合到开关节点203的特征件和/或耦合到输出节点206的特征件。在其他示例中，ic可以包括输出节点202和/或电感器295。第一多电平开关电路210和第二多电平开关电路250以及电感器295的配置提供了降压型dc/dc转换器，以通过转换来自输入信号vin的输入功率，在输出节点206处提供受控输出电压vout。在该示例中，输出电容器297(标记为c)耦合在输出节点206和参考电压之间。输出信号vout驱动负载(未示出)。
28.控制电路205(其可以实施为模拟电路、数字电路和/或固件或软件执行的程序指令)生成第一开关控制信号d0、第二开关控制信号d180、第三开关控制信号d0’和第四开关控制信号d180’。第一开关控制信号d0与第二开关控制信号d180异相180度。第三开关控制信号d0’是第一开关控制信号d0的反相。第四开关控制信号d180’是第二开关控制信号的反相。控制电路205生成具有占空比的开关控制信号，该占空比基于目标信号和反馈信号，该反馈信号包括电感器电流i
l
(通过电感器295)，并且在一些示例中还包括飞跨电容器电压v
fc1
和v
fc2
。
29.如图2所示，在该示例中，第一开关控制信号d0控制第二多电平开关电路250中的第一开关252和第一多电平开关电路210中的第二开关214。第二开关控制信号d180控制第一多电平开关电路210中的第一开关212和第二多电平开关电路250中的第二开关254。第三开关控制信号d0’控制第一多电平开关电路210中的第三开关216和第二多电平开关电路250中的第四开关258。第四开关控制信号d180’控制第二多电平开关电路250中的第三开关256和第一多电平开关电路210中的第四开关218。
30.以这种方式，发送到第一开关212的开关控制信号与发送到第一开关252的开关控制信号的异相180度，并且对于第一多电平转换器210和第二多电平转换器250中的每一对对应的开关，这种关系都成立。因此，所图示拓扑结构确保每次激活d0或d180控制的开关(例如212、252)时从输入节点202汲取电流。尽管d0和d180开关信号具有开关节点203处的信号的开关的频率的一半，但输入电流汲取与开关节点203处的频率相同。这消除了其他转换器所经历的开关频率的一半处的emi单音。
31.为了正确操作，飞跨电容器215和255两端的电压应保持在vin/2(或其某个预定等值范围内)。当控制电路205使用谷值型控制方案时，图2中所图示的交错式多电平转换器架构允许飞跨电容器“自平衡”(例如，没有附加控制措施)到vin/2。这是因为飞跨电容器电压与vin/2的任何偏差通过谷值电流模式控制的动态来抵消平衡，其迫使飞跨电容器的分配的充电或放电时间被校正，同时保持对电感器的激励和去激励电流。以这种方式，vcmc为飞
跨电容器电压校正提供了固有的负反馈。然而，当控制电路205使用其他控制方案(例如，峰值型控制方案)时，应采取附加措施来调节飞跨电容器两端的电压。
32.图3是包括交错式多电平转换器301以及第一平衡电路330和第二平衡电路360的电力转换系统300的框图，第一平衡电路330和第二平衡电路360由控制电路(未示出)控制以将第一多电平开关电路310中的飞跨电容器fc1315与第二多电平开关电路350中的飞跨电容器fc2 355选择性地并联连接。当飞跨电容器并联耦合时，在按照开关级换向(commutation)指示进行串联耦合后，由于电荷共享，使飞跨电容器两端的电压与vin/2等值。
33.图4图示了包括第一多电平开关电路410、第二多电平开关电路450、第一平衡电路430和第二平衡电路460的电力转换系统400的示例实施方式。第一平衡电路430包括串联布置在第一内部节点411和第一内部节点451之间的第一平衡开关432和第二平衡开关434。当两个开关432、434都闭合时，飞跨电容器415的高侧极板413耦合到飞跨电容器455的高侧极板453以将飞跨电容器置于彼此并联的电路布置中。第一平衡开关432和第二平衡开关434由开关控制信号d0’和d180’的逻辑与运算控制，所以飞跨电容器415、455的高侧极板仅在d180’和d0’两者在高状态下重叠时才短接。在此重叠间隔期间，开关418和458两者都接通，从而将飞跨电容器415和455置于并联电路布置中，因为底极板417、457被拉到ref节点404，并且顶极板413、453通过第一平衡电路430中的开关432、434短接。
34.第二平衡电路460包括串联布置在第二内部节点419和第二内部节点459之间的第一平衡开关462和第二平衡开关464。当开关462、464两者都闭合时，飞跨电容器415的低侧极板417耦合到飞跨电容器455的低侧极板457，从而将飞跨电容器置于彼此并联的电路布置中。第一平衡开关462和第二平衡开关464由开关控制信号d0和d180的逻辑与运算的结果来控制，因此飞跨电容器415、455的低侧极板仅在d180和d0两者在高状态下重叠时才短接。在此重叠阶段期间，开关412和452两者都接通，从而将飞跨电容器415、455置于并联电路布置中，因为顶极板413、452被拉到节点402处输入电压，并且底极板417、457通过第二平衡电路460中的开关462、464短接。如图4所示，用于控制多电平开关电路410、450中的开关的相同开关控制信号也用于控制平衡电路430、460。这大大简化了设计。
35.图5a-图5d图示了当开关控制信号的占空比d小于0.5(示出了大约0.25的占空比)时，在单个开关周期t的四个间隔期间的示例电力转换系统500的操作。电力转换系统500包括具有平衡电路530、560的示例交错式多电平转换器501。
36.参考图5a所示，在第一间隔中，d0为高，d180为低，d0’为低，并且d180’为高(为简单起见，仅图示了d0和d180)。这种开关控制信号的组合将闭合第一多电平开关电路510中的开关514和518以及第二多电平开关电路550中的开关552和556。在该配置中，输入电压vin将第二多电平开关电路550的飞跨电容器555充电至v2，这感应出通过电感器595并到达负载的电流i
l
。第一多电平开关电路510的飞跨电容器515的低侧系接到参考节点504，并且飞跨电容器515两端的电压(v2)感应出通过电感器595的电流i
l
。第一平衡电路530和第二平衡电路560两者都处于非活动状态(inactive)，因为d0和d180(以及d0’和d180’)不都是高。在此间隔期间，飞跨电容器515、555以串联电路布置耦合，其中555耦合在输入节点502和开关节点503之间，并且515耦合在开关节点503和ref节点504之间。
37.参考图5b所示，在第二间隔中，d0和d180两者都为低，并且d0’和d180’两者都为
高。这种开关信号的组合将闭合第一多电平开关电路510中的开关516和518以及第二多电平开关电路550中的开关556和558。因为d0’和d180’两者都为高，这闭合了平衡开关532、534两者，所以第一平衡电路530被激活。在这种配置中，电流从参考节点通过闭合的开关汲取到电感器595。飞跨电容器515的高侧极板513耦合到飞跨电容器555的高侧极板553，这将飞跨电容器置于彼此并联布置中，使飞跨电容器两端的电压v
fc1
、v
fc2
在大约vin/2处彼此等值。
38.参考图5c所示，在第三间隔中，d0为低，d180为高，d0’为高，并且d180’为低。这种开关控制信号的组合将闭合第一多电平开关电路510中的开关512和516以及第二多电平开关电路550中的开关554和558。在该配置中，输入电压vin将第一多电平开关电路510的飞跨电容器515充电至v1，这感应出通过电感器595并到达负载的电流i
l
。第二多电平开关电路550的飞跨电容器555的低侧系接到参考节点504，并且飞跨电容器555两端的电压(v2)感应出通过电感器595的电流i
l
。第一平衡电路530和第二平衡电路560都处于非活动状态，因为d0和d180(以及d0’和d180’)不都为高。在该间隔期间，飞跨电容器515、555以串联电路布置耦合，其中515耦合在输入节点502和开关节点503之间，并且555耦合在开关节点503和ref节点504之间。
39.参考图5d所示，在第四间隔中，d0和d180两者都为低并且d0’和d180’两者都为高。如参考图5b所描述的，其图示了相同的开关控制信号状态，在此配置中，电流从参考节点通过闭合的开关汲取到电感器595。飞跨电容器515的高侧极板513耦合到飞跨电容器555的高侧极板553，这将飞跨电容器置于彼此并联布置中，使飞跨电容器两端的电压v
fc1
、v
fc2
在大约vin/2处彼此等值。
40.如图5a-图5d所示，当占空比小于0.5时，第一平衡电路530在开关循环中的开关控制信号d0’和d180’两者都为高的两个“重叠”间隔期间被激活，因此飞跨电容器515和555可以“自平衡”。此平衡特征可以默认启用或打开，或者可以由控制电路系统选择性地激活，具体取决于控制方案(例如，峰值或谷值开关)和/或取决于飞跨电容器515、555两端的监测电压。
41.图6a-图6d图示了当开关控制信号的占空比d大于0.5时(示出了大约0.6的占空比)在单个开关周期t的四个间隔期间的示例电力转换系统600的操作。电力转换系统600包括具有平衡电路630、660的示例交错式多电平转换器601。
42.参考图6a，在第一间隔期间，d0和d180两者都为高，并且d0’和d180’两者都为低。这种开关信号的组合将闭合第一多电平开关电路610中的开关612和614以及第二多电平开关电路650中的开关652和654。第二平衡电路660被激活，因为d0和d180两者都为高，这闭合了平衡开关662、664两者。在该配置中，输入电压vin将第一多电平开关电路系统610的飞跨电容器615充电至v1，并且还将第二多电平开关电路650的飞跨电容器655充电至v2，这感应出通过电感器695并到达负载的电流i
l
。飞跨电容器615的低侧极板617耦合到飞跨电容器655的低侧极板657，其将飞跨电容器置于彼此并联布置中，使飞跨电容器两端的电压v
fc1
、v
fc2
在vin/2处彼此等值。
43.参考图6b，在第二间隔中，d0为高，d180为低，d0’为低，并且d180’为高。开关控制信号的这种组合将闭合第一多电平开关电路610中的开关614和618以及第二多电平开关电路650中的开关652和656。在此配置中，输入电压vin将第二多电平开关电路650的飞跨电容
器655充电至v2，这感应出通过电感器695并到达负载的电流i
l
。第一多电平开关电路610的飞跨电容器615的低侧系接到参考节点604，并且飞跨电容器615两端的电压(v2)感应出通过电感器695的电流i
l
。第一平衡电路630和第二平衡电路660两者都处于非活动状态，因为d0和d180(以及d0和d180’)不都为高。在此间隔期间，飞跨电容器615、655以串联电路布置耦合，其中655耦合在输入节点602和开关节点603之间，并且615耦合在开关节点603和ref节点604之间。
44.参考图6c所示，在第三间隔中，d0和d180两者都为高，并且d0’和d180’两者都为低。如参考图6a所描述的，其图示了相同的开关控制信号状态，飞跨电容器615、655两者都由vin充电并感应出通过电感器695的电流。飞跨电容器615的低侧极板617耦合到飞跨电容器655的低侧极板657，这将飞跨电容器置于彼此并联布置中，使飞跨电容器两端的电压v
fc1
、v
fc2
在vin/2处彼此等值。
45.参考图6d，在第四间隔中，d0为低，d180为高，d0’为高，并且d180’为低。开关控制信号的这种组合将闭合第一多电平开关电路610中的开关612和616以及第二多电平开关电路中的开关654和658。在该配置中，输入电压vin将第一多电平开关电路610的飞跨电容器615充电至v1，这感应出通过电感器695并到达负载的电流i
l
。第二多电平开关电路650的飞跨电容器655的低侧系接到参考节点604，并且飞跨电容器655两端的电压(v2)感应出通过电感器695的电流i
l
。第一平衡电路630和第二平衡电路660两者都处于非活动状态，因为d0和d180(以及d0’和d180’)不都为高。在该间隔期间，飞跨电容器615、655以串联电路布置耦合，其中615耦合在输入节点602和开关节点603之间，并且655耦合在开关节点603和ref节点604之间。
46.如图6a-图6d所示，当占空比大于0.5时，第二平衡电路660在开关循环中的开关控制信号d0和d180两者都为高的两个“重叠”间隔期间被激活，因此飞跨电容器615和655可以“自平衡”。此平衡特征可以默认启用或打开，或者可以由控制电路系统选择性地激活，具体取决于控制方案(例如，峰值或谷值开关)和/或取决于飞跨电容器615、655两端的监测电压。
47.图7a-图7b图示了当开关控制信号的占空比d等于0.5时在单个开关周期t的两个间隔期间的示例电力转换系统700的操作。电力转换系统700包括具有平衡电路730、760的示例交错式多电平转换器701。因为占空比等于0.5，所以只有两种不同的开关信号状态出现，其中d0和d180具有相反的值。
48.参考图7a，在第一间隔期间，d0为高，d180为低，d0’为低，并且d180’为高。这种开关信号的组合将闭合第一多电平开关电路710中的开关714和718以及第二多电平开关电路750中的开关752和756。在该配置中，输入电压vin将第二多电平开关电路750的飞跨电容器755充电至v2，这感应出通过电感器795并到达负载的电流i
l
。第一多电平开关电路710的飞跨电容器715的低侧717系接到参考节点704，并且飞跨电容器715两端的电压(v2)感应出通过电感器795的电流i
l
。第一平衡电路730和第二平衡电路760两者都处于非活动状态，因为d0和d180(以及d0'和d180')不都为高。在该间隔期间，飞跨电容器715、755以串联电路布置耦合，其中755耦合在输入节点702和开关节点703之间，并且715耦合在开关节点703和ref节点704之间。
49.参考图7b，在第二间隔期间，d0为低，d180为高，d0’为高，并且d180’为低。开关控
制信号的这种组合将闭合第一多电平开关电路710中的开关712和716以及第二多电平开关电路中的开关754和758。在该配置中，输入电压vin将第一多电平开关电路710的飞跨电容器715充电至v1，这感应出通过电感器795并到达负载的电流i
l
。第二多电平开关电路750的飞跨电容器755的低侧系接到参考节点704，并且飞跨电容器755两端的电压(v2)感应出通过电感器795的电流i
l
。第一平衡电路730和第二平衡电路760两者都处于非活动状态，因为d0和d180(以及d0’和d180’)不都为高。在该间隔期间，飞跨电容器715、755以串联电路布置耦合，其中715耦合在输入节点702和开关节点703之间，并且755耦合在开关节点703和ref节点704之间。
50.如图7a-图7b所示，当占空比等于0.5时，开关循环中不存在开关控制信号d0和d180两者或d0’和d180’两者都为高的“重叠”间隔，因此飞跨电容器715和755将不布置在并联电路中进行电荷共享，并且将不会“自平衡”。”51.当占空比等于0.5时，可以使用若干技术来解决这种自平衡的缺乏。例如，可以采取措施以确保交错式多电平转换器不能在占空比为0.5的情况下启动。在另一个示例中，可以在启动时将瞬态引入系统。在另一示例中，可以调整开关控制信号以解决由0.5的占空比引起的飞跨电容器(未示出)上的潜在电压不平衡。
52.图8是示例控制电路805的一部分的框图，其以防止多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压落在与vin/2的等值范围之外的方式生成开关信号。控制电路805包括不平衡检测电路870，该不平衡检测电路870被配置为确定第一多电平开关电路中的飞跨电容器或第二多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压是否落在关于输入节点处的输入电压的一半的等值范围之外。响应于确定电压落在等值范围之外，不平衡检测电路870被配置为生成平衡信号。控制电路805还包括驱动器调整电路，该驱动器调整电路被配置为接收平衡信号，并且响应于平衡信号，将至少一个开关控制信号的时序调整重叠持续时间(参见图11)以使第一平衡开关和第二平衡开关两者都在产生的重叠间隔期间闭合。
53.图9是示例控制电路905的一部分的框图，其以将多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压保持在与vin/2的等值范围内的方式生成开关信号。控制电路905包括不平衡检测电路970，该不平衡检测电路970被配置为确定第一多电平开关电路中的飞跨电容器或第二多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压是否落在关于输入节点处的输入电压的一半的等值范围之外。响应于确定电压落在等值范围之外，不平衡检测电路970被配置为生成平衡信号。控制电路905还包括驱动器调整电路980，该驱动器调整电路980被配置为接收平衡信号，并且响应于平衡信号，将至少一个开关控制信号的时序调整重叠持续时间(参见图11)，因此第一平衡开关和第二平衡开关两者都在重叠持续时间期间闭合。
54.驱动器调整电路980包括驱动器状态机982，该驱动器状态机982被配置为基于电力转换系统的一个或多个输出信号(例如，输出电压、电感器电流等)来确定期望的占空比。驱动器状态机982生成开关控制信号d_ph0和d_ph180，它们彼此异相180度并且表现出所确定的占空比。驱动器延迟电路986生成开关控制信号的延迟版本以分别生成dph0_dly和dph180_dly。驱动器选择电路990根据不平衡检测电路970是否已生成平衡信号来选择开关控制信号(在该示例中为d0)的延迟版本或非延迟版本。
55.图10是示例控制电路1005的一部分的框图，其以将多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压保持在与vin/2的等值范围内的方式生成开关信号。控制电路1005包括不平
衡检测电路1070，其被配置为确定第一多电平开关电路中的飞跨电容器或第二多电平开关电路中的飞跨电容器两端的电压是否落在关于输入节点处的输入电压的一半的等值范围之外。第一分压器和电压钳位器1012以及第二分压器和电压钳位器1014分别测量第一多电平开关电路和第二多电平开关电路中的飞跨电容器的顶极板和底极板之间的电压。当多电平开关电路中的第四开关(图2-图7中的qd1、qd2)闭合时，测量的电压被提供到比较器1016、1018，因此飞跨电容器的底极板耦合到参考电压。对这些电压进行平均，并将平均值与vin/2+/-δv
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进行比较。δv
hys
定义了vin/2附近的等值范围。当比较器1016检测到欠压或比较器1018检测到飞跨电容器上的过压时，高值存储在锁存器1019中，锁存器1019可以是边沿触发的触发器。锁存器1019由反相器1011和1013的输出的逻辑或组合进行钟控，反相器1011和1013分别将开关控制信号d0’和d180’反相。因此，每次在d0或d180开关信号上发生逻辑低到逻辑高转变时，边沿触发的触发器1019对过压/欠压检测事件的逻辑或结果进行采样并相应地更新平衡信号。以这种方式，每当发生飞跨电容器过压/欠压事件(因此飞跨电容器电压远离vin/2移动)时，平衡信号被设置为逻辑高。
56.控制电路1005还包括驱动器调整电路980，该驱动器调整电路980被配置为接收平衡信号，并且响应于平衡信号，将至少一个开关控制信号的时序调整重叠持续时间(参见图11)以使第一平衡开关和第二平衡开关两者在重叠持续时间期间闭合。驱动器调整电路1080包括驱动器状态机1082，该驱动器状态机1082被配置为基于电力转换系统的输出信号来确定期望的占空比，并生成彼此异相180度并表现出所确定的占空比的开关控制信号d_ph0和d_ph180。驱动器延迟电路1086包括延迟开关控制信号dph0以生成dph0_dly的缓冲器1083和延迟开关控制信号dph180以生成dph180_dly的缓冲器1084。可以控制缓冲器的数量以实现期望的重叠持续时间。
57.驱动器选择电路1090包括第一多路复用器1092，其根据平衡信号是否为高来输出经延迟的开关控制信号dph0_dly或非延迟的开关控制信号d_ph0。第二多路复用器1096在两个输入处具有非延迟的开关控制信号dph180。提供包括缓冲器1084和多路复用器1096的路径以更好地同步开关控制信号dph0、dph0_dly和dph180，以便经过类似的部件组。逻辑1094从多路复用器1092的输出生成开关控制信号d0，这将是dph0的延迟版本或非延迟版本。逻辑1094还通过将选择的开关控制信号d0反相来生成开关控制信号d0’。逻辑1098从多路复用器1092的输出生成开关控制信号d1800。逻辑1098还通过将开关控制信号d180反相来生成开关控制信号d180’。
58.图11是当占空比为0.5时开关控制信号d0和d180的时序图，并且参照图10描述的占空比移位技术用于维持飞跨电容器两端的电压。当平衡信号为高时，由控制电路输出经延迟的开关控制信号dph0_dly，而不是非延迟的开关控制信号dph0。这导致d0和d180两者都为高或d0和d180两者都为低的“重叠”间隔(阴影)。当d0和d180具有相同的值时，平衡电路(例如，分别为图3-图7的330或360、430或490、530或560、630或660、730或760)被激活以将飞跨电容器置于并联布置中。这允许飞跨电容器可以在占空比为0.5时进行自平衡。
59.图12是概述用于将在输入节点处接收的输入信号转换为在输出节点处的输出信号的示例方法1200的流程图。方法1200可由上述电力转换系统100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000中的任何一个或由被配置为控制电力转换系统的各种部件的控制器来执行。控制器可以实施为执行存储的计算机可执行指令、硬件、固件等的处理器或机器。
60.方法1200包括：在1210处，将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路；并且，在1220处，将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第二多电平开关电路，使得第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联布置。在1230处，测量输出信号。该方法包括，在1240处，基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号。在1250处，将开关控制信号提供到第一多电平开关电路和第二多电平开关电路。
61.如上所述，交错式多电平转换器提供了多电平拓扑结构、飞跨电容器的自主平衡以及消除传导的emi的半开关频率单音的优点。
62.这些方法在上面被图示和描述为一系列动作或事件，但是这样的动作或事件的图示顺序不是限制性的。例如，一些动作或事件可以以不同的顺序发生和/或与除了本文图示和/或描述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，一些图示的动作或事件对于实施本说明书的一个或多个方面或实施例是可选的。此外，本文描绘的一个或多个动作或事件可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中执行。在一些实施例中，上述方法可以使用存储在存储器中的指令在计算机可读介质中实施。
63.在本说明书中，术语“耦合”可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。因此，如果设备a生成信号以控制设备b执行动作，则：(a)在第一示例中，设备a直接耦合到设备b；或者(b)在第二示例中，如果中间部件c基本上不改变设备a和设备b之间的功能关系，则设备a通过中间部件c耦合到设备b，因此设备b由设备a经由通过设备a生成控制信号控制。
64.在权利要求的范围内，对所描述的示例进行修改是可能的，并且其他实施方式也是可能的。