[发明专利]电压转换器、电气系统及其方法

说明书

公开了一种电压转换器、电气系统及其方法。提供了利用开关电压转换器将输入电压转换为输出电压的电路和方法。电压转换器包括多个开关级，并且开关级电流地和磁性地彼此耦合。经由耦合到每个开关级的磁耦合元件(例如，变压器绕组)磁性地在开关级之间传输电力。磁电力传输允许电压转换器支持高电力传输，而开关级之间的电连接允许开关级内的开关的相对简单的控制。与磁耦合元件相关联的电感可以提供开关的零电压开关(ZVS)。由于简单的开关控制、磁电力传输和ZVS，所提供的电压转换器以有效的方式支持相对高的电力传输。

技术领域

本申请涉及一种电压转换器，其包括电级联在一起的多个开关级，并且其中使用磁耦合元件在开关级之间磁性地传输电力。

背景技术

开关直流(DC)到DC电压转换器用于各种应用中，用于将输入电压处的电力转换成所需输出电压处的电力。这种电压转换器用于为电池充电器、计算机、电视和许多其他电子设备供电。开关电压转换器可大致分为隔离拓扑和非隔离拓扑，以及分为调节类别和非调节类别。

隔离电压转换器通常经由变压器利用磁耦合来将电力从初级侧传输到次级侧。一个或更多个开关(例如，晶体管)用于从输入DC电压源生成电压脉冲。所产生的交流(AC)电压被提供给变压器的初级侧，从而在变压器的次级侧上感应出AC电压，其可以被整流以向负载提供DC电力。变压器在初级侧和次级侧之间提供电流(电)隔离，这尤其对于高电力应用具有安全优势。

非隔离开关电压转换器还可以使用由电感器提供的磁性来将输入电压转换为输出电压，但是不在输入端和输出端之间提供电流隔离。示例非隔离电压转换器包括降压转换器、升压转换器和降压升压转换器。

大多数开关电压转换器被调节成在其输出端处提供接近恒定的电压或电流。这是通过至少部分地基于电压转换器的输出端处的测量电压或电流来调整控制通过电压转换器的功率流的开关的导通定时来实现的。例如，测量的输出电压降至低于期望的参考输出电压可以迫使控制开关的信号的开关频率和/或占空比的变化，使得另外的电力从电压转换器的输入端传输至电压转换器的输出端。开关控制信号通常由实现闭环控制技术的控制器生成，以便将输出电压调节在接近恒定的电平。

一些电负载不需要严格调节，并且用于供应这种负载的电压转换器可能放弃复杂的闭环控制技术和闭环控制所需的相关测量传感器。开关电容转换器(SCC)代表可以在非调节模式下操作的一类电压转换器。SCC通常用于将输入电压降低固定比，例如2:1，4:1。这种降压SCC有效地用作分压器。在替代配置中，SCC可以以升压模式操作，其中输入电压乘以固定比，例如，提供2、4的升压。SCC为不需要调节的应用提供低阻抗、高效率电压转换。

SCC操作取决于利用开关在若干电容器之间传输能量。在SCC电路内，在开关频率和电容器大小之间存在权衡。要使用相当小的电容器，开关频率必须相对较高。高开关频率通常需要具有相对低的电流容量的开关。因此，SCC的使用通常限于其中SCC负载需要相对低电流(电力)或中等电流(电力)的应用。

需要一种开关电压转换器，其表现出SCC的相对简单性和效率，但能够传输高电流电平。

发明内容

根据电压转换器的实施方式，电压转换器包括至少两个开关级和相关联的磁耦合元件、控制器、输入端和输出端。开关级以级联布置电耦合在一起。每个开关级至少包括第一开关，第一开关包括第一端子、第二端子和控制端子。在优选实施方式中，每个开关级还包括第二开关。每个开关级具有相关联的磁耦合元件，该磁耦合元件将该开关级磁耦合到电压转换器的一个或更多个其他开关级。控制器能够操作成控制每个开关级的第一开关的切换。这是通过向第一开关的控制端子提供控制信号来实现的，使得对于给定开关级，经由与给定开关级相关联的磁耦合元件在给定开关级与至少一个其他开关级之间磁性地传输电力。输入端被提供为用于将电压转换器耦合到输入电源，并且输入端电耦合到至少一个开关级。输出端被提供为用于向电压转换器的负载供电，并且输出端电连接至至少一个开关级。输入端和输出端经由至少一个开关级彼此电连接。