[发明专利]开关电容器转换器及用于限制其启动时的电流的方法

说明书

提供了开关电容器转换器(SCC)及用于限制其启动时的电流的方法，以便限制SCC启动时的浪涌电流。这是通过使用SCC的第一功率开关，即耦接至SCC的输入端的开关来实现的，以降低在SCC输入端处提供的电压，使得全输入电压在SCC启动期间不会直接施加到第一功率开关的下游的SCC电路。提供给SCC电路(除第一功率开关之外)的降低的电压用于限制SCC启动期间由SCC电路的其余部分引出的电流。该降低的电压从零开始并斜坡上升到在SCC输入端处提供的电压。一旦降低的电压达到输入电压电平，就可以开始SCC的稳态操作。

技术领域

本申请涉及开关电容器转换器(SCC)，并且具体地涉及其中通过降低SCC的第一开关处的电压来限制在加电时流过SCC的初始电流的电路拓扑。

背景技术

开关电容器转换器(SCC)是一种直流(DC)至DC电压转换器，其通过使用开关和电容器将电力从输入电源转移到输出端，实现高效率和高功率密度。SCC在其输出端包括整流器，并且在输入电源和整流器之间插入一系列功率开关。这种SCC还包括一个或更多个分支，每个分支至少包括将开关中的一个耦接至整流器的电容器。控制开关使得电荷转移到每个分支内的电容器和从每个分支内的电容器转移出电荷，使得对于降压型SCC，输入电源的电压被降压转换成在SCC的输出端处提供降低的电压。分支中一些分支还可以包括与电容器串联连接的电感器，以便提供能够实现开关的有效软切换的谐振。

在SCC的启动(加电)开始时，SCC内的电容器两端的电压通常为零，即，在向SCC施加输入电源之前电容器处于放电状态。然而，在SCC的稳态操作期间，每个电容器维持其两端的平均电压，以及与SCC内的能量转移相关联的一些纹波。放电的电容器可能导致一个问题，即在将输入电源施加到SCC时，当电容器在启动时充电到SCC的稳态操作所需的平均电压时，流过SCC的电流可能会在尖峰达到非常高的电平，有时称为“浪涌电流”。这种高启动电流会导致电应力，其可以损坏SCC部件，包括开关、电容器和电感器。另外，高启动电流可能导致输入电源的电压出现有问题的下降，并且/或者导致过电流保护电路的不必要触发。应限制浪涌电流以防止出现这些问题。

用于限制SCC启动时的电流的一种解决方案是增加由输入电源提供给SCC输入端的电压。例如，在输入电源和SCC输入端之间可以放置限流电路，其中限流电路包括与功率开关并联放置的分流电阻器。在启动期间，分流电阻器限制流入SCC的电流。在达到SCC的稳态操作时，功率开关接通以旁路分流电阻器。虽然这种解决方案解决了浪涌电流问题，但它的代价是在SCC上增加了附加的功率开关。除了功率开关的成本和尺寸之外，在稳态操作期间要求电流流过另一个功率开关会降低SCC的效率。

另一种解决方案是在SCC的启动阶段期间将SCC内的电容器预充电到它们期望的稳态平均电压。这种预充电可能涉及附加预充电电路和/或在启动阶段期间SCC内的开关的特殊控制。更具体地，这种预充电通常需要感测SCC电容器两端的电压，使得可以适当地控制开关以确保每个电容器充电到其所期望的(稳态)电压。虽然预充电电路和控制对于单片集成的SCC可能是可行的，但是对于通常需要分立的功率开关的高功率SCC，这种预充电变得相当复杂。在任何情况下，电容器预充电都需要附加的电路和控制复杂性，并且通常需要附加的电流限制，如上述解决方案中所述，所有这些都是不希望的。

期望电路和相关技术用于限制浪涌电流，同时需要最少的附加电路，需要低复杂性和最小化功率损耗。

发明内容