用于开关模式电源的多电平结构和方法与流程

背景技术：

1、(1)技术领域

2、本发明涉及电子电路，并且更特别地涉及电力转换器电路，包括dc-dc电力转换器电路。

3、(2)背景技术

4、许多电子产品，特别是移动计算和/或通信产品和部件(例如，手机、笔记本计算机、超级本计算机、平板装置、lcd和led显示器)需要多个电压电平。例如，射频(rf)发射器功率放大器可能需要相对高的电压(例如，12v或更高)，而逻辑电路系统可能需要低的电压电平(例如，1v至3v)。还有其他电路系统可能需要中间电压电平(例如，5v至10v)。

5、直流电力转换器通常用于从例如电池、太阳能电池、燃料电池和整流ac源的公共电源生成较低或较高的电压。从较高输入电压电源生成较低输出电压电平的电力转换器通常被称为降压转换器，之所以这样称呼是因为输出电压vout小于输入电压vin，因此转换器使输入电压“降压”。从较低输入电压电源生成较高输出电压电平的电力转换器通常被称为升压转换器，因为vout大于vin。一些电力转换器可以是降压转换器或者升压转换器，这取决于哪些端子用于输入和输出。一些电力转换器可以提供反相输出。

6、开发用于如下电力转换器的转换器单元拓扑结构将是有利的，所述电力转换器表现出降低的电压纹波，使得能够使用较低的电力和较小的开关，提供改进的功率密度和效率，并且提供改进的输入/输出电压动态范围。

技术实现思路

1、本发明包括开关模式电力转换器的经修改的转换器单元，所述经修改的转换器单元表现出降低的电感需求，使得能够使用较低的电压和较小的开关，提供改进的功率密度和效率，并且提供改进的输入/输出电压动态范围。本发明还包括用于通过连续地应用可以从2电平转换器单元开始的“拆分开关并通过电容器连接”操作来生成包括三个或更多个节点电压电平的转换器单元拓扑结构的方法。

2、本发明的处理或这些处理的变型可以应用于转换器单元拓扑结构，所述转换器单元拓扑结构是包括至少一个电感和两个开关的2电平转换器单元。这样的2电平转换器单元的有用子集包括：(1)至少3个内置能量存储元件(即，呈内置电感和/或电容的某种组合但包括至少一个电感的3个或更多个能量存储元件)和至少2个开关的阶；或者(2)至少一个电感和至少4个开关。这样的2电平转换器单元可以包括变压器或耦接的电感器。

3、本发明的一个实施方式包括一种用于修改包括至少一个电感和两个开关的2电平转换器单元的方法，该方法包括：用单刀单掷开关代替2电平转换器单元内的任何二极管开关；在稳态操作期间选择2电平转换器单元内的同时不导通的开关对；将两个所选择的开关中的每一个拆分成2个串联连接的开关，从而在2个串联连接的所选择的开关之间形成中间节点；以及通过电容器连接新形成的中间节点。在一些实施方式中，将两个所选择的开关中的每一个拆分成2个串联连接的开关包括保留两个所选择的开关中的每一个并将两个所选择的开关中的每一个与相应的添加的开关串联耦接。

4、本发明的一个或更多个实施方式的细节在以下附图和描述中进行阐述。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显。

技术特征：

1.一种具有至少3个节点电压电平并且通过修改2电平转换器单元而制成的转换器单元，所述2电平转换器单元包括：(1)至少3个内置能量存储元件和至少2个开关，所述至少3个内置能量存储元件中的至少一个是电感；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关，所述转换器单元包括第一开关对和第二开关对，每个开关在稳态操作期间代替所述2电平转换器单元内的同时不导通的开关对中的一个开关，其中，所述第一开关对之间的第一中间节点和所述第二开关对之间的第二中间节点被配置成连接至电容器。

2.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，被代替的开关对中的开关之一是用作开关的二极管。

3.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

4.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

5.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

6.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

7.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

8.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

9.根据权利要求1所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是图12a、图12b、图12c、图13b、图15b、图18或图19至图33中示出的电路中的一个电路。

10.一种用于通过修改包括至少1个内置电感和至少2个开关的2电平转换器单元来构造3电平转换器单元的方法，所述方法包括：

11.根据权利要求10所述的方法，还包括用对应的单刀单掷开关代替所述2电平转换器单元内的二极管开关，如果所述二极管开关存在的话。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将选择的开关拆分成2个串联连接的开关包括：保留所选择的开关并将所选择的开关与添加的开关串联耦接。

13.一种通过根据权利要求10所述的方法修改2电平转换器单元而制成的3电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：(1)至少2个内置电感和至少2个开关；或者(2)至少1个内置电感和至少3个开关。

14.一种通过根据权利要求10所述的方法修改2电平转换器单元而制成的3电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：(1)至少3个内置能量存储元件和至少2个开关，所述至少3个内置能量存储元件中的至少一个是电感；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关。

15.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

16.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

17.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

18.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

19.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

20.根据权利要求14所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

21.一种用于通过修改2电平转换器单元而构造3电平转换器单元的方法，所述2电平转换器单元包括：(1)至少3个内置能量存储元件和至少2个开关，所述至少3个内置能量存储元件中的至少一个是电感；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关，所述方法包括：

22.根据权利要求21所述的方法，还包括用对应的单刀单掷开关代替所述2电平转换器单元内的二极管开关，如果所述二极管开关存在的话。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，将选择的开关拆分成2个串联连接的开关包括：保留所选择的开关并将所选择的开关与添加的开关串联耦接。

24.一种通过根据权利要求21所述的方法修改2电平转换器单元而制成的3电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：(1)至少3个内置能量存储元件和至少2个开关，所述至少3个内置能量存储元件中的至少一个是电感；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关。

25.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

26.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

27.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

28.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

29.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

30.根据权利要求24所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

31.一种用于通过修改2电平转换器单元而构造m电平转换器单元的方法，所述2电平转换器单元包括：(1)至少3个内置能量存储元件和至少2个开关，所述至少3个内置能量存储元件中的至少一个是电感；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关，其中，m≥3，所述方法包括：

32.根据权利要求31所述的方法，还包括用对应的单刀单掷开关代替所述2电平转换器单元内的二极管开关，如果所述二极管开关存在的话。

33.根据权利要求31所述的方法，其中，将选择的开关拆分成2个串联连接的开关包括：保留所选择的开关并将所选择的开关与添加的开关串联耦接。

34.一种通过用根据权利要求31所述的方法修改2电平转换器单元而制成的m电平转换器单元。

35.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

36.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

37.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

38.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

39.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

40.根据权利要求34所述的转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

41.一种包括至少3个电平的非隔离式转换器，所述非隔离式转换器包括：

42.一种包括至少3个电平的隔离式转换器单元，所述隔离式转换器单元包括：

43.一种包括至少3个电平的zeta/sepic转换器单元，所述zeta/sepic转换器单元包括：

44.一种包括至少3个电平的反激式转换器单元，所述反激式转换器单元包括：

45.一种包括至少3个电平的正激式转换器单元，所述正激式转换器单元包括：

46.一种包括至少3个电平的转换器单元，所述转换器单元包括：

47.一种电力转换器，包括：

48.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

49.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

50.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

51.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

52.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

53.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元包括：

54.根据权利要求47所述的电力转换器，其中，所述2电平转换器单元是图12a、图12b、图12c、图13b、图15b、图18或图19至图33中示出的电路中的一个电路。

55.一种以多相配置并联耦接的多个m电平转换器单元，在所述多相配置中，至少两个所选择的m电平转换器单元以差分时钟相位操作，其中，所述m电平转换器单元中的每一个被配置成接收输入电压并将接收到的输入电压转换为输出电压，并且其中，所述至少两个所选择的m电平转换器单元是通过用根据权利要求31所述的方法修改2电平转换器单元而制成的。

56.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

57.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

58.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

59.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

60.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

61.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

62.根据权利要求55所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是图12a、图12b、图12c、图13b、图15b、图18或图19至图33中示出的电路中的一个电路。

63.一种以下述配置并联耦接的多个m电平转换器单元，在所述配置中，至少两个所选择的m电平转换器单元通过耦接至相应的m电平转换器单元的电感器磁耦接，其中，所述m电平转换器单元中的每一个被配置成接收输入电压并将接收到的输入电压转换为输出电压，并且其中，所述至少两个所选择的m电平转换器单元是通过用根据权利要求31所述的方法修改2电平转换器单元而制成的。

64.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

65.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

66.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

67.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

68.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

69.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

70.根据权利要求63所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是图12a、图12b、图12c、图13b、图15b、图18或图19至图33中示出的电路中的一个电路。

71.一种以多相耦接电感器配置并联耦接的多个m电平转换器单元，在所述多相耦接电感器配置中，至少第一两个所选择的m电平转换器单元通过耦接至相应的m电平转换器单元的电感器磁耦接，并且至少第二两个所选择的m电平转换器单元以不同的时钟相位操作，其中，所述m电平转换器单元中的每一个被配置成接收输入电压并将接收到的输入电压转换为输出电压，并且其中，所述至少两个所选择的m电平转换器单元是通过用根据权利要求31所述的方法修改2电平转换器单元而制成的。

72.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平非隔离式转换器单元。

73.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平隔离式转换器单元。

74.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平sepic转换器单元或2电平zeta转换器单元中的一者。

75.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平反激式转换器单元。

76.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是2电平正激式转换器单元。

77.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元包括：

78.根据权利要求71所述的多个m电平转换器单元，其中，所述2电平转换器单元是图12a、图12b、图12c、图13b、图15b、图18或图19至图33中示出的电路中的一个电路。

技术总结
用于修改开关模式电力转换器的转换器单元的方法以及对应的电力转换器单元。经修改的转换器单元表现出降低的电感需求，使得能够使用较低的电压和较小的开关，提供改进的功率密度和效率，并且提供改进的输入/输出电压动态范围。所述方法的实施方式通过连续地应用“拆分开关并通过电容器连接”操作来生成具有3个或更多个节点电压电平的转换器单元拓扑结构。本发明的处理或这些处理的变型可以应用于转换器单元拓扑结构，所述转换器单元拓扑结构是包括至少一个电感和两个开关的2电平转换器单元，特别是包括下述的2电平转换器单元：(1)至少3个能量存储元件(即，呈电感和电容的某种组合但具有至少一个电感的3个或更多个能量存储元件)和至少2个开关的阶；或者(2)至少1个内置电感和至少4个开关。

技术研发人员：大卫·M·朱利亚诺
受保护的技术使用者：派赛公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27