[发明专利]高效率的开关电容器电源和方法

说明书

提供了一种具有优异的电压调节、高变换效率并且可适合于广泛应用的开关电容(SC)变换器。SC变换器可以包括至少两个SC子电路，并且这些SC子电路中的至少一个可以具有可变增益。一个SC子电路可以将SC变换器的输入电压变换为接近SC变换器的期望输出电压值的输出电压，并且具有可变增益的另一个SC子电路可以将输入电压变换为具有高分辨率的小离散电压阶跃的输出电压。

背景技术

在许多可再生能源应用中都需要具有高效率和/或高功率密度的高性能功率变换器，对其的使用最近显著增加并且预计将持续增加[1]。在这种能量应用中使用了两种类型的功率变换器，即基于电感器/变压器的变换器和开关电容器(SC)变换器。

基于电感器/变压器的变换器包含体积大且笨重的磁性部件，因此为了增加功率密度并减小变换器的重量，可提高开关频率以减小磁性部件的尺寸。但是，如果将变换器设计为在硬切换操作中工作，则变换器的功率损耗将随着开关频率的提高而增加。这种功率损耗应该避免，因为它不仅会降低变换器的效率，而且还会由于产生额外的热量而使变换器的工作环境恶化。这在变换器的功率密度高并且散热的面积较小的情况下尤其关键。这种变换器可能需要额外的冷却系统。或者，可以通过采用软切换技术来降低功率损耗，例如零电压切换(ZVS)、零电流切换(ZCS)或ZVS和ZCS两者结合。然而，将这些技术应用于变换器增加了所需组件的数量以及控制的复杂性。而且，ZVS和/或ZCS技术的应用还限制了变换器的输入电压和负载范围，这对于可再生能源应用通常是不期望的。

SC变换器没有磁性元件，而且高功率密度是固有特性。而且，由于电路中仅有开关和电容器，SC变换器可以容易地制造成集成电路(IC)的形式，这可以进一步提高SC变换器的功率密度。因此，SC变换器可以成为高功率密度应用的理想选择。目前，SC变换器的一般应用主要是用于执行电压比变换或电压逆变[2]-[5]。它们通常不用于需要电压调节的应用。这是因为对于现有类型的SC变换器，只有在功率效率较低时才实现电压调节。为了实现SC变换器的输出电压调节，已经应用了例如脉冲宽度调制(PWM)控制、脉冲频率调制(PFM)控制、棒棒控制(bang-bang control)、准开关电容控制(quasi-switched-capacitorcontrol)，和线性控制等控制方法[6]-[15]。然而，无论采用哪种控制方法，具有处于部分充电状态的电容器的SC变换器的操作都会导致功率效率的固有损失[8]、[16]。

理论上，SC变换器的效率(η)是其中V_o是输出电压，V_in是输入电压，M是电压增益，它由SC变换器的拓扑决定[8]。输出电压V_o与电压M·V_in的较大偏差导致SC变换器的效率的下降较大。已经提出了一种通过将SC变换器与可配置的电压变换过程组合以使电压M·V_in接近期望的输出电压来提高SC变换器的效率的方法，以及一种电压调节控制处理[17]。然而，使用这种方法可以实现的SC变换器的配置数量很少，这限制了其应用。已经提出了可重构的SC变换器，但变换比的数量是有限的[19]、[41]-[53]。这因此又限制了变换器的调节特性。已经提出一种单一SC变换器可以实现交流(AC)-直流(DC)、DC-DC、DC-AC和AC-AC变换，而且其包含超过500种的变换比[18]，但是该变换器需要大量的开关和电容器，并且这种大量的变换比使得控制变得复杂。已经提出了具有两个可变级联SC电路的SC变换器，其实现可变变换增益[20]，但是由于其级联连接，变换效率不高。已经提出了具有辅助低压差(LDO)变换器的调节SC变换器[21]，该SC变换器具有固定变换比，并且该SC变换器的两个输入端口连接到电源和LDO输出。通过控制LDC变换器的输出电压来进行对该SC变换器的输出电压的调节。但是，这种调节SC变换器仅适用于阶跃降压(step-down)变换，变换比必须高于0.5。现有技术中的LDO变换器可以并联连接到SC变换器[36]-[39]。SC变换器的输出电压由LDO电路控制，且主要通过SC变换器传输功率。但是，由于LDO控制的输出电压使输出电压偏离固有变换电压MV_in，因此该SC变换器的SC变换比仍然很低。

发明内容