混合多电平逆变器和电荷泵的制作方法

混合多电平逆变器和电荷泵


背景技术：

1.功率逆变器是接收直流(dc)输入电压并响应于dc输入电压提供交流(ac)输出电压(例如，给负载)的设备。


技术实现要素：

2.在说明书的示例中，一种方法包括将功率逆变器的电容器充电至在功率逆变器的输入端子处提供的直流(dc)输入电压。电容器具有第一端子和第二端子。该方法还包括通过控制输入开关组或者输出开关中的一个在第一时间在功率逆变器的输出端子处提供第一电压，该输入开关组被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子，该输出开关被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子。该方法还包括通过控制输入开关组和输出开关中的另一个在第二时间在输出端子处提供第二电压。
3.在说明书的另一个示例中，一种设备包括功率逆变器，该功率逆变器包括：输入端子、输出端子、接地端子、具有第一端子和第二端子的电容器、被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子的输入开关组，以及被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子的输出开关。该设备还包括耦合到功率逆变器的控制器。控制器被配置为控制输入开关组以将电容器充电至在输入端子处提供的直流(dc)输入电压。在第一时间，控制器被配置为控制输入开关组或输出开关中的一个以向输出端子提供第一电压。在第二时间，控制器被配置为控制输入开关组和输出开关中的另一个以向输出端子提供第二电压。
4.在说明书的又一个示例中，一种设备包括适于耦合到输入电压源的第一电源端子和适于耦合到接地端子的第二电源端子、适于耦合到负载的第一负载端子和第二负载端子、被配置为选择性地将第一负载端子和第二负载端子中的一个耦合到负载的输出开关，以及耦合到电源端子和负载端子中的每一个的单格(unit cell)网络。单格网络包括升压(step-up)单格，该升压单格包括第一输入端子和第二输入端子；第一输出端子和第二输出端子；第一电容器，其耦合在第一输出端子和第二输出端子之间；第一单刀单掷(spst)开关，其被配置为选择性地将第一输出端子耦合到第一输入端子；第一单刀双掷(spdt)开关，其被配置为选择性地将第二输出端子耦合到第一输入端子或第二输入端子。单格网络还包括降压(step-down)单格，该降压单格包括第三输入端子和第四输入端子；第三输出端子和第四输出端子；第二电容器，其耦合在第三输出端子和第四输出端子之间；第二spdt开关，其被配置为选择性地将第三输出端子耦合到第三输入端子或第四输入端子；第二spst开关，其被配置为选择性地将第四输出端子耦合到第四输入端子。
附图说明
5.在示例中，图1是包括多电平功率逆变器的系统的框图。
6.在示例中，图2是多电平功率逆变器的电路图。
7.在示例中，图3a是多电平功率逆变器在第一时间处于第一配置的电路图，并且图
3b是功率逆变器通过第一时间的输出电压的时序图。
8.在示例中，图4a是图3a的多电平功率逆变器在第二时间处于第二配置的电路图，并且图4b是功率逆变器通过第二时间的输出电压的时序图。
9.在示例中，图5a是图3a的多电平功率逆变器在第三时间处于第三配置的电路图，并且图5b是功率逆变器通过第三时间的输出电压的时序图。
10.在示例中，图6a是图3a的多电平功率逆变器在第四时间处于第四配置的电路图，并且图6b是功率逆变器通过第四时间的输出电压的时序图。
11.在示例中，图7a是图3a的多电平功率逆变器在第五时间处于第五配置的电路图，并且图7b是功率逆变器通过第五时间的输出电压的时序图。
12.在示例中，图8是另一多电平功率逆变器的电路图。
13.在示例中，图9是包括升压单格和降压单格二者的多电平功率逆变器的框图。
14.在示例中，图10是控制多电平功率逆变器的方法的流程图。
具体实施方式
15.在驱动寄生电容的集成电路上实施功率逆变器同时提供可接受的效率是困难的。在h桥逆变器的情况下，开关节点上的寄生电容的硬充电和放电消耗能量，这降低逆变器的效率并限制其最大功率输出。在谐振驱动逆变器的另一种情况下，串联电感器可用于对寄生电容进行谐振充电和放电，同时提供q升压的正弦输出电压波形。然而，虽然谐振驱动逆变器相对于h桥逆变器降低了驱动器损耗，但片上电感器在较低频率(例如，《200mhz)下具有较差的q因子(例如，q《5)并且占据相对大的面积(例如，大约1x1mm2)。在多电平电荷泵逆变器的又一种情况下，通过提供多阶跃输出电压波形来降低驱动器损耗。然而，将各种电荷泵输出耦合到负载的开关应该能够双向阻塞，这需要更稳健的晶体管并增加驱动这些晶体管的栅极的复杂性。
16.本说明书的示例包括功率逆变器和用于操作功率逆变器的方法，功率逆变器可以在集成电路(ic)上实施，同时为各种应用提供可接受的效率。具体地，本文描述的功率逆变器包括一个或多个升压和/或降压单格，其被配置为响应于dc输入电压提供ac输出电压。单格被充电至dc输入电压。如下所述，升压单格被配置为将其电压作为正电压提供给功率逆变器的输出，而降压单格被配置为将其电压作为负电压提供给输出。在一些示例中，本文描述的功率逆变器以及控制功率逆变器的方法导致准绝热过程，其中能量相对逐渐地(例如，以阶梯方式)转移到电容性负载，这增加功率逆变器的效率并降低与对电容性负载充电相关的固有损耗。在这些示例中，准绝热过程不一定是无损的，而是反映了绝热工作原理。
17.功率逆变器包括输入端子，该输入端子适于耦合到dc输入电压源，诸如汽车电池或其他dc电压源。输入端子被配置为接收来自dc输入电压源的dc输入电压。功率逆变器还包括适于耦合到负载的输出端子。输出端子被配置为响应于dc输入电压向负载提供ac输出电压。
18.功率逆变器还包括至少一个电容器和耦合到该(或每个)电容器的输入开关组(例如，晶体管)。输入开关组被配置为选择性地将电容器的第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子。功率逆变器还包括输出开关，其被配置为选择性地将输出端子耦合到电容器的第一端子或第二端子。电容器充电至dc输入电压。例如，输入开关被控制以将电容器的
第一端子耦合到输入端子并且将电容器的第二端子耦合到接地端子，这将电容器与输入电压源并联布置并且将电容器充电至dc输入电压。在该示例中，控制输出开关以将输出端子耦合到第二端子，此时第二端子耦合到接地端子。
19.在第一时间，控制输入开关组或输出开关以向输出端子提供第一电压。在第二时间，控制输入开关组和输出开关中的另一个以向输出端子提供第二电压。例如，如果在第一时间控制或操作输入开关组，则在第二时间控制或操作输出开关。或者，如果在第一时间控制或操作输出开关，则在第二时间控制或操作输入开关组。
20.在一个示例中，在第一时间控制输入开关以将电容器的第二端子耦合到输入端子(例如，而不是接地)。相应地，功率逆变器在第一时间向输出端子提供输入电压(例如，第一电压)。继续该示例，在第二时间控制输出开关以将输出端子耦合到第一端子(例如，而不是第二端子)。如上所述，第二端子耦合到输入端子，并且因此电容器串联布置于输入端子与输出端子之间。相应地，功率逆变器在第二时间将电容器两端的电压加上输入电压(例如，总和为第二电压)提供给输出端子。前述是一个示例，并且如下文进一步描述的，存在不同的排列以向输出端子或负载提供第一电压(和第二电压或附加电压)。除非明确说明，否则本文描述的示例不限于提供特定电压的特定控制排列。
21.在一些示例中，电容器和输入开关组被配置为升压单格。在其他示例中，电容器和输入开关组被配置为降压单格。在又一些示例中，功率逆变器包括(一个或多个)附加电容器和耦合到每个电容器的(一个或多个)输入开关组，它们被配置为(一个或多个)升压单格、(一个或多个)降压单格或其组合。无论特定配置如何，功率逆变器都以准绝热方式提供ac输出电压，这增加功率逆变器的效率并降低与对电容性负载充电相关的固有损耗。下面参考附图描述这些示例。
22.图1是本说明书的示例中的系统100的框图。系统100包括集成电路102。集成电路102包括功率逆变器104。功率逆变器104具有适于耦合到输入电压源106的输入端子。在一个示例中，输入电压源106是汽车电池。输入电压源106提供dc输入电压(vin)。相应地，功率逆变器104被配置为从输入电压源106接收vin。
23.功率逆变器104还具有适于耦合到负载108的输出端子，负载108在图1中表示为电容器108(具有电容cload)。负载108被配置为接收ac输出电压(vout)。相应地，功率逆变器104被配置为向负载108提供vout。
24.集成电路102还包括耦合到功率逆变器104的控制器110。控制器110被配置为控制功率逆变器104的操作。例如，控制器110控制功率逆变器104的升压单格和/或降压单格的(一个或多个)输入开关组的操作，如下所述。在图1的示例中，控制器110耦合到时钟信号发生器112。相应地，控制器110被配置为以同步方式控制功率逆变器104。例如，控制器110控制功率逆变器104以提供作为时间的函数的变化的输出电压，以实现特定频率下的有效ac输出电压。
25.图2是图1的功率逆变器104的更详细的电路图。在图2的示例中，功率逆变器104包括多个升压单格。每个升压单格包括输入开关组和电容器。在图2的具体示例中，功率逆变器104包括n-1个这样的升压单格，并且示出了四个这样的升压单格。然而，在其他示例中，功率逆变器104包括更多或更少的这种单格。
26.在图2的示例中，第一升压单格202包括电容器204和输入开关组206、208。为方便
起见，电容器在本文中被称为具有“顶板”和“底板”是指电容器在图中方向的对应的端子。例如，电容器204的顶板耦合到开关206，而电容器204的底板耦合到开关208。输入开关206、208由信号s1控制，并以同步方式操作(例如，由于由相同的信号s1控制)。
27.在图2中，功率逆变器104还包括第二升压单格，其包括电容器214和输入开关216、218；第三升压单格，其包括电容器224和输入开关226、228；以及第四升压单格，其包括电容器234和输入开关236、238。输入开关216、218由信号s2控制；输入开关226、228由信号s3控制；输入开关236、238由信号sn-1控制。在示例中，信号s1、s2、s3、
……
、sn-1是由控制器110提供给功率逆变器104的双态信号(binary signals)。
28.在本文描述的某些示例中，以输入开关206、208为例的各种输入开关被实施为单刀单掷(spst)或单刀双掷(spdt)开关。例如，开关206连同开关216、226、236是spst开关，并且开关208连同开关218、228、238是spdt开关。然而，各种输入开关(其中输入开关206、208是示例)可以包括不同的结构以提供本文所述的功能。
29.在图2中，示例输入开关206、208处于第一位置(例如，响应于s1是第一值)，其中开关206将电容器204的顶板耦合到输入电压源106，并且开关208将电容器204的底板耦合到接地。类似地，输入开关216、218处于第一位置(例如，响应于s2是第一值)，其中开关216将电容器214的顶板耦合到输入电压源106，并且开关218将电容器214的底板耦合到接地。输入开关226、228也处于第一位置(例如，响应于s3是第一值)，其中开关226将电容器224的顶板耦合到输入电压源106，并且开关228将电容器224的底板耦合到接地。输入开关236、238处于第一位置(例如，响应于sn-1是第一值)，其中开关236将电容器234的顶板耦合到输入电压源106，并且开关238将电容器234的底板耦合到接地。输出开关240可控以将电容器234的顶板或电容器234的底板耦合到负载108。相应地，在该示例中，输出开关240是spdt开关。输出开关240由信号sn控制。在示例中，信号sn是由控制器110提供给功率逆变器104的双态信号。
30.响应于输入开关206、208、216、218、226、228、236、238处于第一位置(例如，响应于信号s1至sn-1是第一值，诸如逻辑低)，电容器204、214、224、234中的每一个与输入电压源106并联布置，并且因此被充电至vin。响应于输出开关240处于第一位置(例如，响应于信号sn是第一值，诸如逻辑低)，负载108耦合到接地并且vout处于接地电压电位(例如，0v)。
31.随后(例如，在第一时间)，输入开关组或输出开关240中的一个被控制(例如，由控制器110控制)转变到第二位置以改变(例如，在图2的示例中增加)向负载108提供的电压vout。
32.在一个示例中，控制器110在第一时间改变sn的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输出开关240将电容器234的顶板(以及电容器224、214、204的顶板)耦合到负载108。以这种方式改变sn的值导致功率逆变器104通过输出开关240向负载108提供电容器234两端的电压(例如，vin)。
33.在另一个示例中，控制器110在第一时间改变sn-1的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关236、238转变到第二位置，其中spdt开关238将电容器234的底板耦合到电容器224的顶板(以及电容器214、204的顶板)。在第二位置，spst开关236断开。以这种方式改变sn-1的值导致功率逆变器104通过开关238和输出开关240向负载108提供电容器224两端的电压(例如vin)。
34.在又一示例中，控制器110在第一时间改变s3的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关226、228转变到第二位置，其中spdt开关228将电容器224的底板(以及电容器234的底板)耦合到电容器214的顶板(以及电容器204的顶板)。在第二位置，spst开关226断开。以这种方式改变s3的值导致功率逆变器104通过开关228、开关238和输出开关240向负载108提供电容器214两端的电压(例如vin)。
35.在又一个示例中，控制器110在第一时间改变s2的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关216、218转变到第二位置，其中spdt开关218将电容器214的底板(以及电容器224、234的底板)耦合到电容器204的顶板。在第二位置，spst开关216断开。以这种方式改变s2的值导致功率逆变器104通过开关218、开关228、开关238和输出开关240向负载108提供电容器204两端的电压(例如vin)。
36.在另一示例中，控制器110在第一时间改变sl的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关206、208转变到第二位置，其中spdt开关208将电容器204的底板(以及电容器214、224、234的底板)耦合到输入电压源106。在第二位置，spst开关206断开。以这种方式改变s1的值导致功率逆变器104通过开关208、开关218、开关228、开关238和输出开关240向负载108提供vin。
37.如上所述，存在多个排列以向负载108提供第一电压(例如，vin)。除非明确说明，否则本文描述的示例不限于提供特定电压的特定控制排列。相应地，控制器110和功率逆变器104被配置为基于各种不同的控制排列向负载108提供各种电压电平。
38.在第一时间之后(例如，在第二时间)，输入开关组中的在第一时间未改变的一个输入开关组，或者输出开关240(如果在第一时间未改变)被控制(例如，由控制器110控制)以再次改变(例如，在图2的示例中的增加)向负载108提供的电压vout。在功率逆变器104和控制器110在第二时间的行为的以下示例中，控制器110在第一时间改变sn-1的值以使功率逆变器104通过开关238和输出开关240向负载108提供电容器224两端的电压(例如vin)。
39.在一个示例中，控制器110在第二时间改变sn的值以使输出开关240将电容器234的顶板耦合到负载108。因为电容器234的底板由于开关238(和开关236)在第一时间的先前操作而耦合到电容器224的顶板，所以以这种方式改变sn的值导致功率逆变器104通过输出开关240向负载108提供电容器224、234两端的电压(例如，2*vin)。
40.在另一示例中，控制器110在第二时间改变s3的值以使输入开关226、228将电容器224的底板耦合到电容器214的顶板(以及电容器204的顶板)。因为电容器234的底板由于开关238(和开关236)在第一时间的先前操作而耦合到电容器224的顶板，所以以这种方式改变s3的值导致功率逆变器104通过开关228、开关238和输出开关240向负载108提供电容器214、224两端的电压(例如，2*vin)。
41.在又一示例中，控制器110在第二时间改变s2的值以使输入开关216、218将电容器214的底板(以及电容器224的底板)耦合到电容器204的顶板。因为电容器234的底板由于开关238(和开关236)在第一时间的先前操作而耦合到电容器224的顶板，所以以这种方式改变s2的值导致功率逆变器104通过开关218、开关228、开关238和输出开关240向负载108提供电容器204、224两端的电压(例如，2*vin)。
42.在又一示例中，控制器110在第二时间改变sl的值以使输入开关206、208将电容器204的底板(以及电容器214、224的底板)耦合到输入电压源106。因为电容器234的底板由于
开关238(和开关236)在第一时间的先前操作而耦合到电容器224的顶板，所以以这种方式改变s1的值导致功率逆变器104通过开关208、开关218、开关228、开关238和输出开关240向负载108提供来自输入电压源106的vin加上电容器224两端的电压(例如，总计2*vin)。
43.如上所述，存在多个排列以向负载108提供第二电压(例如，2*vin)。除非明确说明，否则本文所述的示例不限于提供特定电压的特定控制排列。相应地，控制器110和功率逆变器104被配置为基于各种不同的控制排列向负载108提供各种电压电平。
44.在图2的具体示例中，其中功率逆变器104包括四个所示电容器204、214、224、234，功率逆变器104被配置为提供具有包括接地电压电位(例如，0v)、vin、2*vin、
……
、5*vin(例如，输入电压源106提供的vin加上四个串联电容器204、214、224、234两端的4*vin)的值的vout。例如，vout等于vin乘以逻辑高的信号s1到sn的数量。无论特定控制排列如何，图2的功率逆变器104因此被配置为响应于输入电压源106作为dc输入电压提供的vin而提供vout作为ac输出电压。此外，功率逆变器104将电荷泵特性(诸如以实现大于vin的vout范围)与准绝热开关行为相结合以将能量相对逐渐地(例如，以阶梯方式)转移到负载108。这增加功率逆变器104的效率并降低与对电容性负载108充电相关的固有损耗。
45.图3a-图7a是功率逆变器104在各种配置中作为时间的函数的电路图。图3b-图7b是功率逆变器104的输出电压vout作为时间的函数的时序图，它们分别对应于图3a-图7a所示的配置。图3a中的功率逆变器104的结构类似于图2所示的结构，尽管为了便于描述而进行了简化。
46.例如，在图3a中，功率逆变器104包括少一个电容器，其中电容器304对应于电容器204，电容器314对应于电容器214，并且电容器324对应于电容器234。spdt开关208的功能(例如，将电容器204的底板耦合到输入电压源106或接地)在图3a中用开关306、308代替，开关306、308互补并且操作以将电容器304的底板耦合到输入电压源106(响应开关306导通)或接地(响应开关308导通)。类似地，开关218的功能在图3a中用开关316、318代替；开关238的功能在图3a中用开关326、328代替；并且输出开关240的功能在图3a中用开关336、338代替。开关206的功能(例如，允许电容器204由输入电压源106充电并防止电容器204除对负载108之外的放电)在图3a中用阻塞二极管302代替。类似地，开关216的功能在图3a中用阻塞二极管312代替，并且开关236的功能在图3a中用阻塞二极管322代替。
47.在图3a中，开关308、318、328、338导通，并且因此开关306、316、326、336不导通。相应地，如图3b所示，vout等于接地电压电位(例如，0v)。
48.图4a表示功率逆变器104在第一时间402的配置。图4a中所示的配置相对于图3a中的配置的不同之处在于开关336导通并且开关338不导通。相应地，电容器324耦合于功率逆变器104的输出端子与接地之间，并且vout等于电容器324两端的电压(例如，vin)，如图4b所示。
49.图5a表示功率逆变器104在第二时间502的配置。图5a中所示的配置相对于图4a中的配置的不同之处在于开关326导通并且开关328不导通。相应地，电容器314与电容器324串联耦合在功率逆变器104的输出端子与接地之间，而阻塞二极管322有效地将电容器324的顶板与电容器314的顶板去耦。如图5b所示，vout等于电容器314、324两端的电压之和(例如，2*vin)。
50.图6a表示功率逆变器104在第三时间602的配置。图6a中所示的配置相对于图5a中
的配置的不同之处在于开关216导通并且开关218不导通。相应地，电容器304与电容器314、324串联耦合在功率逆变器104的输出端子与接地之间，而阻塞二极管312有效地将电容器314的顶板与电容器304的顶板去耦。vout等于电容器304、314、324两端的电压之和(例如，3*vin)，如图6b所示。
51.最后，图7a表示功率逆变器104在第四时间702的配置。图7a中所示的配置相对于图6a中的配置不同之处在于开关306导通并且开关308不导通。相应地，输入电压源106还与电容器304、314、324串联耦合在功率逆变器104的输出端子与接地之间，而阻塞二极管302有效地将电容器304的顶板与输入电压源106去耦。vout等于vin和电容器304、314、324两端的电压之和(例如，4*vin)，如图7b所示。
52.如上所述，存在多个排列以控制功率逆变器104响应于vin提供vout，并且图3a-图7a中所示的具体排列仅是示例。在示例中，在第四时间702之后，控制器110使功率逆变器104向后循环通过所示的配置，例如以相反的顺序，以逐步将vout从4*vin降低回到0v。
53.例如，使开关306停止导通并且开关308开始导通有效地使输入电压源106从与电容器304、314、324串联耦合在功率逆变器104的输出端子与接地之间解耦。这将vout降低到电容器304、314、324两端的电压(例如，3*vin)。继续该示例，使开关316停止导通并且开关318开始导通有效地将电容器304从与电容器314、324串联耦合在功率逆变器104的输出端子与接地之间解耦。这将vout降低到电容器314、324两端的电压(例如，2*vin)。该示例继续，直到vout再次达到0v，尽管其他排列也在本描述的范围内。
54.图8是图1的功率逆变器104的另一示例的更详细的电路图。在图8的示例中，功率逆变器104包括多个降压单格，而不是如关于图2描述的升压单格。每个降压单格包括输入开关组和电容器。在图8的具体示例中，功率逆变器104包括n-1个这样的降压单格，并且示出了四个这样的降压单格。然而，在其他示例中，功率逆变器104包括更多或更少的这种单格。
55.在图8的示例中，第一降压单格802包括电容器804和输入开关组806、808。电容器804的顶板耦合到开关806，而电容器804的底板耦合到开关808。输入开关806、808由信号s-1
控制，并以同步方式操作(例如，由于由相同的信号s-1
控制)。
56.在图8中，功率逆变器104还包括第二降压单格，其包括电容器814和输入开关816、818；第三降压单格，其包括电容器824和输入开关826、828；以及第四降压单格，其包括电容器834和输入开关836、838。输入开关816、818由信号s-2
控制；输入开关826、828由信号s-3
控制；并且输入开关836、838由信号s-(n-1)
控制。在示例中，信号s-1
、s-2
、s-3
、
……
、s-(n-1)
是由控制器110提供给功率逆变器104的双态信号。
57.在本文描述的某些示例中，以输入开关806、808为例的各种输入开关被实施为spst或spdt开关。例如，开关806连同开关816、826、836是spdt开关，并且开关808连同开关818、828、838是spst开关。然而，各种输入开关(其中输入开关806、808是示例)可以包括不同的结构以提供本文所述的功能。
58.在图8中，示例输入开关806、808处于第一位置(例如，响应于s-1
是第一值)，其中开关806将电容器804的顶板耦合到输入电压源106，并且开关808将电容器804的底板耦合到接地。类似地，输入开关816、818处于第一位置(例如，响应于s-2
是第一值)，其中开关816将电容器814的顶板耦合到输入电压源106，并且开关818将电容器814的底板耦合到接地。输
入开关826、828也处于第一位置(例如，响应于s-3
是第一值)，其中开关826将电容器824的顶板耦合到输入电压源106，并且开关828将电容器824的底板耦合到接地。输入开关836、838处于第一位置(例如，响应于s-(n-1)
是第一值)，其中开关836将电容器834的顶板耦合到输入电压源106，并且开关838将电容器834的底板耦合到接地。输出开关840可控以将电容器834的顶板或电容器834的底板耦合到负载108。相应地，在该示例中，输出开关840是spdt开关。输出开关840由信号s-n
控制。在示例中，信号s-n
是由控制器110提供给功率逆变器104的双态信号。
59.响应于输入开关806、808、816、818、826、828、836、838处于第一位置(例如，响应于信号s-1
至s-(n-1)
是第一值(诸如逻辑低))，电容器804、814、824、834中的每一个与输入电压源106并联布置，并且因此被充电至vin。响应于输出开关840处于第一位置(例如，响应于信号s-n
是第一值(诸如逻辑低))，负载108耦合到输入电压源106并且因此vout等于vin。
60.随后(例如，在第一时间)，输入开关组或输出开关240中的一个被控制(例如，由控制器110控制)转变到第二位置以改变向负载108提供的电压vout。
61.在一个示例中，控制器110在第一时间改变s-n
的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输出开关840将电容器834的底板(以及电容器824、814、804的底板，并且因此接地)耦合到负载108。以这种方式改变s-n
的值导致功率逆变器104通过输出开关240向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
62.在另一示例中，控制器110在第一时间改变s-(n-1)
的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)，输入开关836、838转变到第二位置，其中spdt开关836将电容器834的顶板耦合到电容器824的底板(以及电容器814、804的底板，并因此接地)。在第二位置，spst开关838断开。相应地，电容器834的顶板耦合到接地(例如，通过开关836)，并且还耦合到负载108(例如，通过输出开关840)。以这种方式改变s-(n-1)
的值从而导致功率逆变器104向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
63.在另一示例中，控制器110在第一时间改变s-3
的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关826、828转变到第二位置，其中spdt开关826将电容器824的顶板(以及电容器834的顶板)耦合到电容器814的底板(以及电容器804的底板，并因此接地)。在第二位置，spst开关828断开。相应地，电容器824的顶板耦合到接地(例如，通过开关826)，并且还耦合到负载108(例如，通过开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-3
的值导致功率逆变器104向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
64.在又一示例中，控制器110在第一时间改变s-2
的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关816、818转变到第二位置，其中spdt开关816将电容器814的顶板(以及电容器824、834的顶板)耦合到电容器804的底板(并因此接地)。在第二位置，spst开关818断开。相应地，电容器814的顶板耦合到接地(例如，通过开关816)，并且还耦合到负载108(例如，通过开关826、开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-2
的值导致功率逆变器104向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
65.在另一示例中，控制器110在第一时间改变s-1
的值(例如，变为第二值，诸如逻辑高)以使输入开关806、808转变到第二位置，其中spdt开关806将电容器804的顶板(以及电容器814、824、834的顶板)耦合到接地。在第二位置，spst开关208断开。相应地，电容器804的顶板耦合到接地(例如，通过开关806)，并且还耦合到负载108(例如，通过开关816、开关
826、开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-1
的值导致功率逆变器104向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
66.如上所述，存在多个排列以向负载108提供第一电压(例如，0v)。除非明确说明，否则本文描述的示例不限于提供特定电压的特定控制排列。相应地，控制器110和功率逆变器104被配置为基于各种不同的控制排列向负载108提供各种电压电平。
67.在图8的示例中，其中单格被布置为降压单格，控制输入开关组导致功率逆变器104向负载108提供跨越电容器804、814、824、834中的一个或多个的电压，但具有相反的极性(例如，负电压)。在第一时间之后(例如，在第二时间)，输入开关组中的在第一时间没有改变的一个输入开关组，或者输出开关840(如果在第一时间没有改变)被控制(例如，由控制器110控制)以再次改变向负载108提供的电压vout。在功率逆变器104和控制器110在第二时间的行为的以下示例中，控制器110在第一时间改变s-(n-1)
的值以使功率逆变器104通过开关836和输出开关840向负载108提供接地电压电位(例如，0v)。
68.在一个示例中，控制器110在第二时间改变s-n
的值以使输出开关840将电容器834的底板耦合到负载108。因为电容器834的顶板由于开关836(和开关838)在第一时间的先前操作而耦合到电容器824的底板(并因此接地)，以这种方式改变s-n
的值导致功率逆变器104通过输出开关240并在第二时间向负载108提供具有相反极性的电容器834两端的电压(例如，-vin)。
69.在另一示例中，控制器110在第二时间改变s-3
的值以使输入开关826、828将电容器824的顶板耦合到电容器814的底板(以及电容器804的底板，并因此接地)。电容器824的底板由于开关836(和开关838)在第一时间的先前操作而耦合到电容器834的顶板。相应地，电容器824的顶板耦合到接地(例如，通过开关826)，并且电容器824的底板耦合到负载108(例如，通过开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-3
的值导致功率逆变器104向负载108提供具有相反极性的电容器824两端的电压(例如，-vin)。
70.在又一示例中，控制器110在第二时间改变s-2
的值以使输入开关816、818将电容器814的顶板(以及电容器824的顶板)耦合到电容器804的底板，并因此接地。电容器814的底板由于开关836(和开关838)在第一时间的先前操作而耦合到电容器834的顶板。相应地，电容器814的顶板耦合到接地(例如，通过开关816)，并且电容器814的底板耦合到负载108(例如，通过开关828、开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-2
的值导致功率逆变器104向负载108提供具有相反极性的电容器814两端的电压(例如，-vin)。
71.在又一示例中，控制器110在第二时间改变s-1
的值以使输入开关806、808将电容器804的顶板(以及电容器814、824的顶板)耦合到接地。电容器804的底板由于开关836(和开关838)在第一时间的先前操作而耦合到电容器834的顶板。相应地，电容器804的顶板耦合到接地(例如，通过开关806)，电容器804的底板耦合到负载108(例如，通过开关818、开关828、开关836和输出开关840)。因此，以这种方式改变s-1
的值导致功率逆变器104向负载108提供具有相反极性的电容器804两端的电压(例如，-vin)。
72.如上所述，存在多个排列以向负载108提供第二电压(例如，-vin)。除非明确说明，否则本文描述的示例不限于提供特定电压的特定控制排列。相应地，控制器110和功率逆变器104被配置为基于各种不同的控制排列向负载108提供各种电压电平。
73.在图8的具体示例中，其中功率逆变器104包括四个所示电容器804、814、824、834，
功率逆变器104被配置为提供具有包括接地电压电位(例如，0v)、vin、-vin、,-2*vin、
……
、-4*vin的值的vout(例如，范围从输入电压源106提供的vin的最大值到由于四个串联电容器804、814、824、834两端的相反极性电压导致的-4*vin的最小值)。无论特定控制排列如何，图8的功率逆变器104因此被配置为响应于输入电压源106作为dc输入电压提供的vin而提供vout作为ac输出电压。此外，功率逆变器104将电荷泵特性(诸如实现大于vin的vout范围)与准绝热开关行为相结合，以相对逐渐地(例如，以阶梯方式)将能量转移到负载108。这增加功率逆变器104的效率并降低与对电容性负载108充电相关的固有损耗。
74.图9是在示例中包括升压单格和降压单格两者的多电平功率逆变器900的框图。多电平功率逆变器900在功能上类似于上面诸如关于图2和图8描述的功率逆变器104，但包括(一个或多个)升压单格202和(一个或多个)降压单格802两者的组合。(一个或多个)升压单格202和(一个或多个)降压单格802都使功率逆变器900能够提供相对于vin变化的vout电平。例如，升压单格202使功率逆变器900能够提供大于vin的vout，而降压单格802使功率逆变器900能够提供小于接地电压电位(例如，0v)的vout。
75.在图9的示例中，功率逆变器900被示意性地示出为包括电源端子902和负载端子904。电源端子902适于耦合到输入电压源106，而负载端子904适于将耦合到负载108。单格网络906布置在电源端子902和负载端子904之间(例如，耦合到其每个)，并且输出开关940可控以将负载端子904中的任意一个耦合到负载108(例如，输出开关940是spdt开关)。
76.单格网络906包括至少一个升压单格202和至少一个降压单格802。在图9中，示例升压单格202包括输入端子912和输出端子914。类似地，示例降压单格802包括输入端子922和输出端子924。升压单格202和降压单格802以其他方式分别如上文图2和图8中所述布置。信号s
up
控制升压单格202的输入开关，信号s
down
控制降压单格802的输入开关，并且信号s
end
控制输出开关940。在示例中，信号s
up
、s
down
、s
end
是由控制器110提供给功率逆变器900的双态信号。
77.在第一示例中，单格网络906被配置为使得升压单格202耦合到电源端子902，并且降压单格802耦合到升压单格202和负载端子904。在该示例中，升压单格202的输入端子912耦合到电源端子902。降压单格802的输入端子922因此耦合到升压单格202的输出端子914，而降压单格802的输出端子924耦合到负载端子904。
78.在第二示例中，单格网络906被配置为使得降压单格802耦合到电源端子902，并且升压单格202耦合到降压单格802和负载端子904。在该示例中，降压单格802的输入端子922耦合到电源端子902。升压单格202的输入端子912因此耦合到降压单格802的输出端子924，而升压单格202的输出端子914耦合到负载端子904。
79.在其他示例中，单格网络906包括多于一个升压单格202和/或多于一个降压单格802，它们在如以上示例中所述的功率逆变器900的电源端子902和负载端子904之间链接在一起。相应地，包括单格网络906的功率逆变器900可配置为提供相对于vin的各种范围的vout。
80.在图9的两个具体示例中，其中单格网络906包括一个升压单格202和一个降压单格802，功率逆变器900被配置为提供具有包括接地电压电位(例如，0v)、vin、2*vin(例如，由输入电压源106加上升压单格202两端的电压提供)和-vin(例如，由降压单格802两端的电压提供)的值的vout。无论特定控制排列如何，图9的功率逆变器900因此被配置为响应于
输入电压源106作为dc输入电压提供的vin而提供vout作为ac输出电压。此外，功率逆变器900将电荷泵特性(诸如实现大于vin的vout范围)与准绝热开关行为相结合，以相对逐渐地(例如，以阶梯方式)将能量转移到负载108。这增加功率逆变器900的效率并降低与对电容性负载108充电相关的固有损耗。
81.图10是控制多电平功率逆变器的方法1000的流程图。例如，方法1000由控制器110实施以控制功率逆变器104，如上所述。方法1000开始于框1002，将功率逆变器的电容器充电至在功率逆变器的输入端子处提供的直流(dc)输入电压。例如，如上所述，响应于输入开关206、208处于第一位置(例如，并且电容器204与输入电压源106并联)，电容器204被充电至由输入电压源106提供的vin。电容器204包括第一端子和第二端子，诸如上述的顶板和底板。
82.方法1000在框1004中继续，在第一时间在功率逆变器的输出端子处提供第一电压。通过控制输入开关组或输出开关中的一个来提供第一电压，该输入开关组被配置为选择性地将第一端子和第二端子耦合到输入端子或接地端子；该输出开关被配置为选择性地将输出端子耦合到第一端子或第二端子。如上所述，输入开关组206、208包括spst开关206和spdt开关208，该spst开关206选择性地将电容器204的顶板耦合到输入端子(例如，输入电压源106)，该spdt开关208选择性地将电容器204的底板耦合到输入端子或接地。此外，输出开关240是spdt开关240，其选择性地将输出端子(例如负载108)耦合到电容器204的顶板或底板，诸如在功率逆变器104包括单个升压单格202的示例中。
83.方法1000在框1006中继续，通过控制输入开关组和输出开关中的另一个在第二时间在输出端子处提供第二电压。例如，如果输入开关组206、208在第一时间被控制，则输出开关240在第二时间被控制。或者，如果输出开关240在第一时间被控制，则输入开关组206、208在第二时间被控制。
84.在本说明书中，术语“耦合”可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备a提供信号以控制设备b执行动作，则：(a)在第一示例中，设备a直接耦合到设备b；或(b)在第二示例中，如果中间部件c不显著改变设备a和设备b之间的功能关系，则设备a通过中间部件c间接耦合到设备b，因此设备b由设备a经由设备a提供的控制信号来控制。
[0085]“被配置为”执行任务或功能的设备可以在制造商制造时被配置(例如，编程和/或硬连线)以执行该功能和/或在制造后可以是由用户可配置的(或重新可配置)以执行该功能和/或其他附加或替代功能。配置可以通过设备的固件和/或软件编程，通过硬件部件的构造和/或布局以及设备的互连，或它们的组合。
[0086]
在本文中描述为包括某些部件的电路或设备可以替代地适于耦合到那些部件以形成所描述的电路或设备。例如，描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(诸如电压源和/或电流源)的结构可以替代地在单个物理设备(例如，半导体管芯和/或集成电路(ic)封装件)内仅包括半导体元件，并且可以适于耦合到无源元件和/或源中的至少一些以在制造时间或制造时间之后形成所述结构，诸如由最终用户和/或第三方。
[0087]
虽然某些部件在本文中可以被描述为属于特定工艺技术的，但是这些部件可以被替换为其他工艺技术的部件。本文所述的电路可重新配置以包括被替换的部件以提供至少
部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。除非另有说明，否则示出为电阻器的部件通常代表串联和/或并联耦合以提供由所示电阻器表示的阻抗量的任何一个或多个元件。例如，本文中作为单个部件示出和描述的电阻器或电容器可以替代地是分别并联耦合在相同节点之间的多个电阻器或电容器。例如，本文作为单个部件示出和描述的电阻器或电容器可以替代地是分别串联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间的多个电阻器或电容器。
[0088]
在前面的描述中，短语“接地”或“接地电压电位”的使用包括底盘接地、大地接地、浮置接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述值的 /-10％。在权利要求的范围内，对所描述的示例的修改是可能的，并且其他示例是可能的。