用于对飞跨电容器预充电的具有分压器的多电平转换器的制作方法

1.本发明总体上涉及对用于多电平转换器的飞跨电容器进行预充电的系统和方法，并且更具体地涉及用于在启动时对飞跨电容器进行预充电的多电平转换器。


背景技术：

2.在典型的n电平转换器中以及在稳态工作期间，在飞跨电容器上保持大约输入电压的1/(n-1)的电压相对容易。但是，在启动过程中，飞跨电容器必须在多电平转换器能够工作在稳定状态之前进行预充电。在飞跨电容器的正极端子被充电到所需电压之前，多电平转换器可能会出现故障和其他类型的故障。许多多电平转换器包括独立的充电电路，用于在启动期间对飞跨电容器进行预充电以达到所需的电压。附加的充电电路增加了集成电路中多电平转换器的电路复杂性和面积。此外，独立的充电电路使多电平转换器的控制复杂化。


技术实现要素：

3.本发明通过提供用于对飞跨电容器进行预充电的电阻分压器，解决了与用于对上述常规多电平转换器中的飞跨电容器进行预充电的独立充电电路相关联的电路和控制复杂性以及面积大的缺点。如本文所述，本发明包括具有电阻分压器的多电平转换器，该电阻分压器被配置为在初始充电阶段期间对飞跨电容器进行预充电。一旦飞跨电容器被充电到适当的电压，多电平转换器就会转换到正常操作模式。电阻分压器包括比独立充电电路占用更少面积的无源元件。此外，与将独立充电电路并入多电平转换器相比，无源元件简化了多电平转换器的控制。
4.多电平转换器为n电平转换器，并且包括n-1个上晶体管和n-1个下晶体管、n-2个飞跨电容器和n-2个电阻分压器。上晶体管彼此串联，并且与下晶体管串联，而下晶体也彼此串联。每个飞跨电容器跨上晶体管中的一个或更多个和下晶体管中的一个或更多个进行连接。每个电阻分压器连接到飞跨电容器之一并且被配置为在初始充电操作阶段期间对相应的飞跨电容器充电。
5.每个电阻分压器包括第一电阻器和第二电阻器。第一电阻器的电阻值与第二电阻器的电阻值之比是基于飞跨电容器的正极端子上的期望电压来选择的。选择两个电阻器的电阻值来调整飞跨电容器的充电速度。在初始充电操作阶段期间，控制器启用从电阻分压器通过飞跨电容器到接地节点的充电路径，并监控飞跨电容器的正极端子上的电压。响应于飞跨电容器的正极端子上的电压满足电压标准，控制器可以将多电平转换器从初始充电操作阶段转变为稳态操作阶段。
6.现在将参照附图更具体地描述本文描述的上述和其他优选特征，包括各种新颖的实施细节和元件组合，并在权利要求中指出。应当理解，特定的方法和装置仅以说明的方式示出，而不是对权利要求的限制。如本领域技术人员将理解的，在不背离权利要求的范围的情况下，本文教导的原理和特征可以在各种和众多的实施例中采用。
附图说明
7.本公开的特征、目的和优点将在下面结合附图进行详细描述时变得更加明显，附图中相同的附图标记自始至终对应地表示，并且其中：
8.图1示出了根据本发明示例性实施例的具有飞跨电容器的三电平转换器的示意图。
9.图2示出了根据本发明示例性实施例的具有两个飞跨电容器的四电平转换器的示意图。
10.图3示出了根据本发明示例性实施例的具有飞跨电容器的混合转换器的示意图。
具体实施方式
11.在以下详细描述中，参考了某些实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践它们。应当理解，可以采用其他实施例并且可以进行各种结构、逻辑和电气改变。以下详细描述中公开的特征的组合对于在最广泛的意义上实践教导可能不是必需的，而是仅仅被教导以描述本教导的特别代表性的示例。
12.图1示出了根据本发明示例性实施例的具有飞跨电容器c
fly
的三电平转换器100的示意图。三电平转换器100包括两个上晶体管q1、q2和两个下晶体管q3、q4，电容器c
fly
、c
bus
和c
out
，电阻器r
c1
和r
c2
以及电感器l
out
。晶体管q1-q4包括n型场效应晶体管(fet)。在一些实施方式中，晶体管q1-q4是氮化镓(gan)fet、金属氧化物半导体(mos)fet、双极结晶体管(bjt)或任何适当类型的晶体管或晶体管的组合。
13.上级晶体管q1、q2彼此串联，并与下级晶体管q3、q4串联，下级晶体管q3、q4也彼此串联。q1的漏极端子连接到被配置为接收v
in
的输入节点110，q4的源极端子连接到地105。电容器c
bus
连接到输入节点110和地105。电容器c
fly
在节点120处连接在q1和q2之间以及在节点130处连接在q3和q4之间。
14.电阻器r
c1
连接到输入节点110并连接到电容器c
fly
以及在节点120处连接在晶体管q1和q2之间。电阻器r
c2
连接到电容器c
fly
以及在节点120处连接在晶体管q1和q2之间以及连接到地105。电阻器r
c1
与电阻器r
c2
串联工作，用作电阻分压器。电阻器r
c1
与电阻器r
c2
的比值用于确定节点120和电容器c
fly
的正极端子处的电压。电感器l
out
在节点140处连接在晶体管q2和q3之间并且连接到被配置为提供v
out
的输出节点150。电容器c
out
连接到输出节点150和地105。
15.响应于被通电，三电平转换器100在电容器c
fly
被充电的初始充电操作模式下工作。在初始充电模式期间，晶体管q4被导通以为电容器c
fly
提供从输入节点110通过r
c1
和r
c2
的电阻分压器到达电容器c
fly
然后通过晶体管q4到达地105的充电路径。基于预期输入电压v
in
选择r
c1
的电阻值与r
c2
的电阻值之比为使得电容器c
fly
被充电直到节点120和电容器c
fly
的正极端子处的电压约为输入电压v
in
的一半或略大于输入电压v
in
的一半，以适应从晶体管q1-q4的泄漏。还选择电阻值来控制对电容器c
fly
的充电电流和对其充电所需的时间长度。一旦电容器c
fly
被充电，三电平转换器100就转换到正常操作模式，并且电容器c
fly
的正极端子上的电压保持在输入电压v
in
的大约一半。
16.与在稳态操作之前使用独立电源系统对电容器c
fly
充电的传统多电平转换器相比，三电平转换器100在电阻分压器中使用无源元件，其占用比独立充电系统小得多的面
积。此外，电阻器r
c1
和r
c2
不会增加对三电平转换器100的控制的复杂性。在一些实施例中，电阻器r
c2
已经被包括在传统的三电平转换器中作为电压感测电阻器以向控制器提供电压信息，从而使得被包括的、用于制造用于对飞跨电容器充电的电阻分压器的唯一添加的元件是电阻器r
c1
。
17.用于对飞跨电容器充电的电阻分压器可以从三电平转换器扩展到其他多电平转换器和多电平逆变器。n电平飞跨电容器多电平转换器包括(n-1)个上晶体管和(n-1)个下晶体管、(n-2)个飞跨电容器和(n-2)个电阻分压器。图2示出了根据本发明示例性实施例的具有两个飞跨电容器c
f1
和c
f2
的四电平转换器200的示意图。
18.图2的四电平转换器200类似于图1所示的三电平转换器100，但包括附加晶体管q5和q6、附加飞跨电容器c
f2
和附加电阻分压器，该附加电阻分压器包括电阻器r
c21
和r
c22
。类似于三电平转换器100，四电平转换器200使用第一电阻分压器中的无源元件r
c11
和r
c12
以及第二电阻分压器中的r
c21
和r
c22
来对飞跨电容器c
f1
和c
f2
进行充电，并且与独立的电力系统相比，减少了功耗。
19.晶体管q1-q6包括n型fet并串联在一起。q1的漏极端子连接到配置为接收v
in
的输入节点210，q6的源极端子连接到地205。电容器c
bus
连接到输入节点210和地205。电容器c
f1
在节点220处连接在q1和q2以及在节点230处连接在q5和q6之间。电阻器r
c11
连接到输入节点210和电容器c
f1
以及在节点220处连接在晶体管q1和q2之间。电阻器r
c12
连接到电容器c
f1
以及在节点220处连接在晶体管q1和q2之间以及连接到地205。电阻器r
c11
与电阻器r
c12
串联工作，作为电阻分压器以对第一飞跨电容器c
f1
充电。
20.电容器c
f2
在节点240处连接在q2和q3之间，并且在节点250处连接在q4和q5之间。电阻器r
c21
连接到节点220并且在节点240处连接到电容器c
f2
。电阻器r
c22
在节点240处连接到电容器c
f2
并且连接到地205。电阻器r
c21
与电阻器r
c22
串联工作，作为电阻分压器以对第二飞跨电容器c
f2
充电。电感器l
out
在节点260处连接在晶体管q3和q4之间并且连接到被配置为提供v
out
的输出节点270。电容器c
out
连接到输出节点270和地205。
21.响应于被通电，四电平转换器200在初始充电操作模式下工作，在该初始充电模式中飞跨电容器c
f1
和c
f2
被充电。在初始充电模式期间，晶体管q6被导通，以为电容器c
f1
提供从输入节点210通过r
c11
和r
c12
的电阻分压器到达电容器c
f1
然后到达地205的充电路径。电容器c
f1
被充电直到节点220和电容器c
f1
的正极端子处的电压大约为输入电压v
in
的三分之二或略大于输入电压v
in
的三分之二，以适应从晶体管q1-q6的泄漏。
22.一旦电容器c
f1
被充电或在电容器c
f1
充电时，晶体管q5被导通以为电容器c
f2
提供如下的充电路径：从输入节点210起，通过r
c11
和r
c12
的第一电阻分压器，通过r
c21
和r
c22
的第二电阻分压器，到达电容器c
f2
，然后通过晶体管q5和q6到达地205。电容器c
f2
被充电直到节点240和电容器c
f2
的正极端子处的电压约为节点220处的电压的三分之一或略大于节点220处的电压的三分之一，以适应从晶体管q1-q6的泄漏。一旦电容器c
f2
被充电，四电平转换器200就转换到正常操作模式，电容器c
f1
的正极端子上的电压和电容器c
f2
的正极端子上的电压保持在它们各自的值。
23.除了具有三个或更多个电平的多电平转换器之外，用于对飞跨电容器充电的电阻分压器还可以扩展到将多电平转换器与其他类型的转换器(例如降压-升压转换器、自举转换器等)相结合的混合转换器。图3示出了根据本发明示例性实施例的结合转换器和同步降
压的混合转换器300的示意图。混合转换器300类似于图1所示的三电平转换器100，但还包括在节点340处连接在晶体管q2和q3之间的电容器c
mid
。此外，电感器l
out
在节点330处连接在晶体管q3和q4之间，而不是在节点340处。混合转换器300包括电阻器r
c1
和r
c2
的电阻分压器，其在初始充电阶段期间通过晶体管q4对电容器c
fly
充电。
24.以上描述和附图仅被认为是对特定实施例的说明，其实现了本文所述的特征和优点。可以对特定的过程条件进行修改和替换。因此，本发明的实施例不被认为受到前述描述和附图的限制。