CN104578766A - 一种桥式多电平开关电容变换器 - Google Patents

一种桥式多电平开关电容变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥式多电平开关电容变换器，包括主电路拓扑、电压采样电路、DSP控制器、驱动形成与放大电路和电源模块。通过对其中的高频开关进行PWM加移相控制，使变换器在输入电压波动和负载出现变动时，能够根据需要调节触发脉冲的移相宽度，且大部分开关器件仍保留零电流开关特性，具有输出电压纹波小，所用器件少，器件应力低，控制简单等拓扑优势，及开关电流应力低、EMI小等优点。

Description

一种桥式多电平开关电容变换器
技术领域
本发明涉及开关功率变换器技术领域，具体涉及一种桥式多电平开关电容变换器，用于保证变换器中所有开关管零电流开通和关断，实现减少开关损耗和减小EMI问题的目的。
背景技术
随着70年代后期电力电子技术飞速发展，集成技术的成熟以及制造技术的进步，使家用电子设备向小型化多功能化发展。对电力电子器件的体积和功率要求随之变高。传统的感性开关变换器由于其感性器件较大的体积和EMI影响，越来越不能满足现代科技的发展趋势。虽然现在片状电感已经问世，但是其高成本和体积仍然不能和电容相比。
开关电容变换器因其中不含储能电感这一有别于传统变换器鲜明特征，具有体积小，效率高，功率密度大，且能适应较高工作环境，减低对散热系统的设计要求等优点，因而成为当今能源变换器的热门候选。然而传统的开关电容变换器具有开关电流大，EMI问题严重，输出电压特性调节不好等缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种具有开关损耗小，EMI问题小，输出电压易于调节的桥式多电平开关电容变换器。
本发明采用如下技术方案：
一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：包括
主电路拓扑，包括第一场效应管桥臂、第二场效应管桥臂，第一电容桥臂、第二电容桥臂、第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管和第四开关二极管；该第一场效应管桥臂和第二场效应管桥臂的正负端均并联于直流功率电源的两端；该第一电容桥臂正负端分别通过第一开关二极管和第二开关二极管并联于第二场效应管桥臂的正负端，该第二电容桥臂正负端分别通过第三开关二极管和第四开关二极管并联于第一电容桥臂正负端，该第二电容桥臂的正负端作为输出电压的正负端；第一场效应管桥臂的中点与第二电容桥臂的中点相连；
电压采样电路，其输入端与主电路拓扑的输出电压正负端相连，输出端连接PI调节与移相控制模块；
DSP控制电路，设有四个与驱动形成与放大电路相连的PWM信号输出端，用于将输入电压与参考电压进行处理后输出四路PWM信号以分别控制各个场效应管的工作状态及电源模块；并设置成第一场效应管桥臂上的场效应管为50％占空比互补导通，第二场效应管桥臂中场效应管的开通信号相位滞后第一场效应管桥臂中场效应管的开通信号相位180°，第二场效应管桥臂中的场效应管的关断信号相位超前第一场效应管桥臂中的场效应管关断信号；
驱动形成与放大电路，包括有四个PWM信号输入端和五个驱动信号输出端以将PWM信号进行隔离和放大处理后产生对应的驱动信号，其中四个驱动信号输出端一一对应连接第一场效应管桥臂和第二场效应管桥臂中的场效应管的栅极和源极；另一驱动信号连接电源模块中反激变换器中的场效应管。
直流功率电源为电源模块，用于为主电路拓扑提供电源输入，并输出二次电源为电压采样电路、DSP控制电路和驱动电路提供电源。
优选的，所述第一场效应管桥臂包括第一场效应管和第二场效应管；该第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极相连且作为该第一场效应管桥臂的中点，该第一场效应管的漏极和源极之间及第二场效应管的漏极和源极之间均连接有一二极管；该第一场效应管的漏极和第二场效应管的源极分别作为第一场效应管桥臂的正端和负端。
优选的，所述第二场效应管桥臂包括第三场效应管和第四场效应管，该第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极相连，该第三场效应管的漏极和源极之间及第四场效应管的漏极和源极之间均连接有一二极管，该第三场效应管的漏极和第四场效应管的源极分别作为第二场效应管桥臂的正端和负端。
优选的，所述第一电容桥臂包括串联的第一电容和第二电容，该第一电容的正端与所述第一开关二极管负端相连，该第二电容的负端与所述第二开关二极管的正端相连。
优选的，所述第二电容桥臂包括串联的第三电容和第四电容，该第三电容的正端与所述第三开关二极管负端相连，该第四电容的负端与所述第四开关二极管的正端相连，该第三电容的负端与第四电容的正端相连且作为该第二电容桥臂的所述中点。
优选的，所述DSP控制器包括加法器、PI调节器、限幅单元、移相控制器、第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器；该第一比较器的输入端连接参考电压，其比较寄存器的值保持不变，使其输出端输出50％占空比的固定频率的PWM信号；该加法器设有与电压采样电路相连的第一输入端及连接参考电压的第二输入端，其输出端连接PI调节器的输入端；该PI调节器的输出端连接限幅单元输入端；该限幅单元的输出端连接移相控制器输入端；该移相控制器的输出端分别连接第二比较器的输入端和第三比较器的输入端；通过移相控制器提供的输入量来调整第二比较器与第三比较器中的比较寄存器的值，同时通过设置第二比较器和第三比较器不同的动作方式，使其输出端分别输出所需的PWM信号；该第四比较器的输入端连接参考电压，其输出端输出PWM信号。
优选的，所述驱动形成与放大电路包括四个与所述PWM信号输出端分别相连的光耦合开关及第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三驱动芯片，其中一光耦合开关的一输出端连接第一驱动芯片，该光耦合开关的另一输出端经一非门连接第一驱动芯片，该第一驱动芯片设有两驱动信号输出端；其中两光耦合开关的输出端均连接第二驱动芯片，该第二驱动芯片设有对应的两个驱动信号输出端，最后一光耦合开关的输出端连接第三驱动芯片，该第三驱动芯片的输出连接电源模块。
优选的，所述电源模块包括反激变换器及两组稳压芯片；反激变换器场效应管驱动信号来自驱动放大电路第三驱动芯片输出；该反激变换器输入端还连接直流功率电源，其输出端连接其中一组稳压芯片构成所述光耦合开关的后供电电源；该直流功率电源还连接另一组稳压芯片构成所述光耦合开关的前供电电源。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明本发明电路利用了电路杂散电感而不需要添加其他感性元件，可有效缩小变换器的体积。
2、本发明采用闭环的移相控制方式可有效调节输出电压。
3、本发明在移相控制方式中引入谐振过程，实现软开关，有效地减小了电路的开关损耗和EMI问题。
4、本发明既可应用于便携式电子产品的电源，也可应用于其他需要直流—直流(DC/DC)变换的中小型功率场合。
附图说明
图1为本发明第一至第四场效应管(S1、S2、S3、S4)的脉冲触发图。
图2为本发明的主电路拓扑图。
图3为本发明的DSP控制器内部结构图。
图4为本发明的整体结构框图。
图5为本发明的电压采样电路原理图。
图6为本发明的DSP控制器管脚示意图。
图7为本发明的驱动电路原理图。
图8为本发明电源模块的结构图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图2、图3，一种桥式多电平开关电容变换器，包括：
主电路拓扑，包括第一场效应管桥臂、第二场效应管桥臂，第一电容桥臂、第二电容桥臂、第一开关二极管D1a、第二开关二极管D1b、第三开关二极管D2a和第四开关二极管D2b。该第一场效应管桥臂和第二场效应管桥臂的正负端均并联于直流功率电源VIN的两端；该第一电容桥臂正负端分别通过第一开关二极管D1a和第二开关二极管D1b并联于第二场效应管桥臂的正负端，该第二电容桥臂正负端分别通过第三开关二极管D2a和第四开关二极管并联于第一电容桥臂正负端，该第二电容桥臂的正负端作为输出电压V0的正负端；第一场效应管桥臂的中点与第二电容桥臂的中点相连。
具体的，第一场效应管桥臂包括第一场效应管S1和第二场效应管S2。该第一场效应管S1的源极与第二场效应管S2的漏极相连且作为该第一场效应管桥臂的中点，该第一场效应管S1的漏极和源极之间及第二场效应管S2的漏极和源极之间均连接有一二极管D1、D2。该第一场效应管S1的漏极和第二场效应管S2的源极分别作为第一场效应管桥臂的正端和负端。第二场效应管桥臂包括第三场效应管S3和第四场效应管S4，该第三场效应管S3的源极与第四场效应管S4的漏极相连，该第三场效应管S3的漏极和源极之间及第四场效应管S4的漏极和源极之间均连接有一二极管D3、D4，该第三场效应管S3的漏极和第四场效应管S4的源极分别作为第二场效应管桥臂的正端和负端。
第一电容桥臂包括串联的第一电容C1a和第二电容C1b，该第一电容C1a的正端与第一开关二极管D1a负端相连，该第二电容C1b的负端与第二开关二极管D1b的正端相连。第二电容桥臂包括串联的第三电容C2a和第四电容C2b，该第三电容C2a的正端与第三开关二极管D2a负端相连，该第四电容C2b的负端与第四开关二极管D2b的正端相连，该第三电容C2a的负端与第四电容C2b的正端相连且作为该第二电容桥臂的中点。
电路的整体控制框图见图4。包括主电路拓扑，直流功率电源、电源模块、驱动电路、DSP控制电路以及电压采样电路。主电路拓扑已在前面叙及，在此不再赘述。直流功率电源为主电路拓扑、电源模块提供电源输入，电源模块产生的二次电源为驱动电路、DSP控制电路以及电压采样电路提供电源输入。电压采样电路的信号送入DSP控制器，通过运算送出PWM信号给驱动电路，经过驱动放大后进一步送给主电路拓扑或电源模块开关管。各模块、电路在后面将会进一步论述。
电压采样电路的电路原理图见图5。包括电压传感器及其外围电路，信号调理电路以及滤波保护电路。其中电压传感器及其外围电路的作用为检测输出电压，为闭环控制提供输出直流电压信号。电压传感器采用霍尔电压传感器HBV025A。信号调理电路采用放大器TL084，作用为将输出电压信号V0转换成可以被DSP控制器识别的标准信号。滤波保护电路包括二极管钳位电路与电容滤波电路。电压采样电路的输入端连接主电路拓扑的输出电压V0，输出端与DSP控制器相连，作为DSP控制器AN0接口的输入信号。
参照图6为DSP控制电路，DPS控制器设有两输入端、三个与驱动电路相连的PWM信号输出端、一个与电源模块相连的PWM信号输出端，用于将输入电压V0与参考电压Vref(可包括Vref1、Vref2、Vref3)进行处理后输出多个带有移相角的PWM信号或50％占空比的固定频率的PWM信号，以分别控制主电路拓扑、电源模块各个场效应管的工作状态。输出电压信号Vo与输入参考电压信号Vref分别通过AN0引脚与CMPA1引脚输入DSP控制器(可选用芯片为TMS320LF28335)，处理后经DSP控制器(TMS320LF28335)的PWM输出引脚PWM1H，PWM2H，PWM2L，PWM4H输出。其中：DSP控制器中含有PI调节与移相控制模块，PI调节与移相控制模块将采样到的电压信号与给定的参考电压信号相比较，得到相应的误差，再实现对误差的增量式计算，该结果经过限幅器处理后，进一步得到的计算结果用于调节关断信号相位角的大小。
具体的，参照图3，PI调节与移相控制模块包括加法器、PI调节器、限幅单元、移相控制器、第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器。其中在固定频率下占空比为50％的信号，即PWM1H，由第一比较器得到，通过设置第一比较器比较寄存器的值并保持不变，使其产生50％占空比的固定频率的PWM信号。而带有移相时间的PWM2H与PWM2L分别通过第二比较器和第三比较器得到，第二比较器与第三比较器的输入信号取自下述；加法器设有与电压采样电路相连的第一输入端及连接参考电压的第二输入端，其输出端连接PI调节器的输入端；该PI调节器的输出端连接限幅单元输入端；该限幅单元的输出端连接移相控制器输入端；该移相控制器的输出端分别连接第二比较器的输入端和第三比较器的输入端；通过移相控制器提供的输入量来调整第二比较器与第三比较器中比较寄存器的值，同时通过设置第二比较器和第三比较器不同的动作方式，产生所需的PWM信号PWM2H和PWM2L。该第四比较器的输入端连接参考电压，其输出端输出PWM信号。输出电压Vo经采样并保持后与参考电压Vref相比较，经过PI调节器产生调制信号，通过移相控制器调整产生相应的控制第一至第四场效应管(S1，S2，S3和S4)的50％占空比的固定频率的PWM信号或带有移相角的PWM信号，同时为保证电流产生过零保持阶段，向PWM信号中加入适当的死区时间，上述的PWM信号经过驱动电路放大后形成第一至第四场效应管(S1，S2，S3和S4)的驱动信号。
即该PI调节与移相控制模块采用闭环的输出电压控制，第一场效应管桥臂上的第一场效应管S1和第二场效应管S2互补导通，第二场效应管桥臂上的第三场效应管S3和第四场效应管S4带死区互补导通。第一场效应管S1和第二场效应管S2的占空比固定为0.5，第三场效应管S3和第四场效应管S4占空比随输入直流功率电源和负载的变动而改变。第三场效应管S3与第四场效应管S4的开通信号相位分别滞后第一场效应管S1与第二场效应管S2的开通信号相位180°,而第四场效应管S4与第三场效应管S3关断信号相位分别超前第一场效应管S1和第二场效应管S2关断信号相位(T/2-t1)，上述设置由DSP控制器决定，随着输入电压的波动与负载的改变而改变，采用PWM加移相控制方式来实现对输出电压的调节；在控制系统中增加适当死区时间以保证电流产生过零保持阶段，以实现零电流开关的功能。
参照图7，驱动电路，包括四个与所述PWM信号输出端分别相连的光耦合开关及第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三驱动芯片，其中一光耦合开关的一输出端连接第一驱动芯片，该光耦合开关的另一输出端经一非门连接第一驱动芯片，该第一驱动芯片设有两驱动信号输出端；其中两光耦合开关的输出端均连接第二驱动芯片，该第二驱动芯片设有对应的两个驱动信号输出端；最后一个光耦合开关的输出端连接第三驱动芯片。该第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三驱动芯片型号为IR2110。四个光耦合开关用于实现输入与输出PWM信号的隔离。控制第一场效应管S1，第二场效应管S2，第三场效应管S3，第四场效应管S4的脉冲信号如图1所示，其中存在一对占空比为50％且互补的PWM信号Vgs1和Vgs2(S1和S2的控制信号)，故S2的控制信号Vgs2可由S1的控制信号Vgs1经非门产生。第四驱动芯片的输出连接电源模块反激变换器中的MOSFET开关管。
参照图8，电源模块,包括直流功率电源VIN，与主电路拓扑、电压采样电路、PI调节与移相控制模块和驱动形成与放大电路相连以提供电源。电源模块包括反激变换器及两组稳压芯片；DSP控制器中的第四比较器的PWM信号输出端PWM4H连接驱动放大电路，经过驱动方法后送到电源模块中的反激变换器；该反激变换器输入端还连接直流功率电源VIN，其输出端连接其中一组稳压芯片构成光耦合开关的后供电电源(包括的稳压芯片有+15V的电压输出稳压芯片LM7815、+5V的电压输出稳压芯片LM2576、+3.3V的电压输出稳压芯片LM1117和-15V的电压输出稳压芯片LM7915，)。该直流功率电源VIN还连接另一组稳压芯片构成光耦合开关的前供电电源(包括的稳压芯片有+15V的电压输出稳压芯片LM7815和+5V的电压输出稳压芯片LM2576)。
图1为中的Vgs1,Vgs2,Vgs3和Vgs4分别为第一至第四场效应管(S1，S2，S3，S4)的脉冲触发图(即PWM驱动信号)。第一场效应管S1和第二场效应管S2的触发脉冲互补，均保持占空比50％不变。第三场效应管S3和第四场效应管S4的触发脉冲互补。第四场效应管S4和第三场效应管S3分别超前于第一场效应管S1和第二场效应管S2一定的关断时间(T/2-t1)，即移相时间。由脉冲触发图可以看出，该开关电容变换器存在四种工作组态。图2中的电感Lr为电路分布参数中的漏电感。负载的电压输出电压Vo为本发明桥式多电平开关电容变换器主电路的反馈信号。为说明本发明中特有的采用移相控制方式的输出电压调节的实现，现具体说明四种工作组态如下：
组态1:(t0-t1)阶段。此状态S1和S4导通，S2和S3关断。此阶段输入直流电源向第一电容C1a(谐振电容)充电。S1和S4在0时刻开通时，Lr和C1a形成串联谐振。由于流过电感的电流iLr不能突变，因此可实现开关S1和S4的零电流导通。
组态2：(t1-T/2)阶段。此状态S1导通，S2、S3、S4关断。在t1时刻，S4关断，此时流过电感Lr的电流不为零，通过S3反并联的二极管D3进行续流。于是iLr继续向第一电容C1a(谐振电容)充电，直至电流iLr降为零，第一电容C1a(谐振电容)充电至最大值。
组态3：(T/2-T/2+t1)阶段。此状态S2和S3导通,S1和S4关断。此阶段第一电容C1a(谐振电容)放电，第三电容C2a加压。S2和S3在0时刻开通时，Lr和C1a形成谐振。由于流过电感的电流iLr不能突变，因此可实现S2和S3的零电流导通。
组态4：(T/2+t1-T)阶段。S2导通，S1、S3、S4关断。在T/2+t1时刻，S3关断，此时流过电感Lr的电流不为零，通过S4反并联的二极管D4进行续流。于是iLr继续向第二电容C1b充电，直至电流iLr降为零，第二电容C1b充电至最大值。第一电容C1a的电压保持不变。
从以上工作组态的分析中，可以看出通过控制第一、第二场效应管桥臂之间的关断时间差(T/2-t1)，可控制输入直流电压源向第一电容C1a(谐振电容)充电的时间，同时可以控制输入直流电压源与第一电容C1a(谐振电容)一同向第二电容C1b充电的时间。这相当于控制了直流电压源输入到变换器的能量，进而可以实现输出电压Vo的调节。第一电容C1a(谐振电容)在该变换器中起能量传递的作用，同时引入谐振过程以实现器件的零电流开关。故在DSP控制器中，通过控制两个场效应管桥臂之间的移相时间即可实现对于输出电压的调节控制。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：包括
主电路拓扑，包括第一场效应管桥臂、第二场效应管桥臂，第一电容桥臂、第二电容桥臂、第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管和第四开关二极管；该第一场效应管桥臂和第二场效应管桥臂的正负端均并联于直流功率电源的两端；该第一电容桥臂正负端分别通过第一开关二极管和第二开关二极管并联于第二场效应管桥臂的正负端，该第二电容桥臂正负端分别通过第三开关二极管和第四开关二极管并联于第一电容桥臂正负端，该第二电容桥臂的正负端作为输出电压的正负端；第一场效应管桥臂的中点与第二电容桥臂的中点相连；
电压采样电路，其输入端与主电路拓扑的输出电压正负端相连，输出端连接PI调节与移相控制模块；
DSP控制电路，设有四个与驱动形成与放大电路相连的PWM信号输出端，用于将输入电压与参考电压进行处理后输出四路PWM信号以分别控制各个场效应管的工作状态及电源模块；并设置成第一场效应管桥臂上的场效应管为50％占空比互补导通，第二场效应管桥臂中场效应管的开通信号相位滞后第一场效应管桥臂中场效应管的开通信号相位180°，第二场效应管桥臂中的场效应管的关断信号相位超前第一场效应管桥臂中的场效应管关断信号；
驱动形成与放大电路，包括有四个PWM信号输入端和五个驱动信号输出端以将PWM信号进行隔离和放大处理后产生对应的驱动信号，其中四个驱动信号输出端一一对应连接第一场效应管桥臂和第二场效应管桥臂中的场效应管的栅极和源极；另一驱动信号连接电源模块中反激变换器中的场效应管。
直流功率电源为电源模块，用于为主电路拓扑提供电源输入，并输出二次电源为电压采样电路、DSP控制电路和驱动电路提供电源。
2.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述第一场效应管桥臂包括第一场效应管和第二场效应管；该第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极相连且作为该第一场效应管桥臂的中点，该第一场效应管的漏极和源极之间及第二场效应管的漏极和源极之间均连接有一二极管；该第一场效应管的漏极和第二场效应管的源极分别作为第一场效应管桥臂的正端和负端。
3.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述第二场效应管桥臂包括第三场效应管和第四场效应管，该第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极相连，该第三场效应管的漏极和源极之间及第四场效应管的漏极和源极之间均连接有一二极管，该第三场效应管的漏极和第四场效应管的源极分别作为第二场效应管桥臂的正端和负端。
4.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述第一电容桥臂包括串联的第一电容和第二电容，该第一电容的正端与所述第一开关二极管负端相连，该第二电容的负端与所述第二开关二极管的正端相连。
5.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述第二电容桥臂包括串联的第三电容和第四电容，该第三电容的正端与所述第三开关二极管负端相连，该第四电容的负端与所述第四开关二极管的正端相连，该第三电容的负端与第四电容的正端相连且作为该第二电容桥臂的所述中点。
6.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述DSP控制器包括加法器、PI调节器、限幅单元、移相控制器、第一比较器、第二比较器、第三比较器和第四比较器；该第一比较器的输入端连接参考电压，其比较寄存器的值保持不变，使其输出端输出50％占空比的固定频率的PWM信号；该加法器设有与电压采样电路相连的第一输入端及连接参考电压的第二输入端，其输出端连接PI调节器的输入端；该PI调节器的输出端连接限幅单元输入端；该限幅单元的输出端连接移相控制器输入端；该移相控制器的输出端分别连接第二比较器的输入端和第三比较器的输入端；通过移相控制器提供的输入量来调整第二比较器与第三比较器中的比较寄存器的值，同时通过设置第二比较器和第三比较器不同的动作方式，使其输出端分别输出所需的PWM信号；该第四比较器的输入端连接参考电压，其输出端输出PWM信号。
7.如权利要求1所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述驱动形成与放大电路包括四个与所述PWM信号输出端分别相连的光耦合开关及第一驱动芯片、第二驱动芯片和第三驱动芯片，其中一光耦合开关的一输出端连接第一驱动芯片，该光耦合开关的另一输出端经一非门连接第一驱动芯片，该第一驱动芯片设有两驱动信号输出端；其中两光耦合开关的输出端均连接第二驱动芯片，该第二驱动芯片设有对应的两个驱动信号输出端，最后一光耦合开关的输出端连接第三驱动芯片，该第三驱动芯片的输出连接电源模块。
8.如权利要求7所述的一种桥式多电平开关电容变换器，其特征在于：所述电源模块包括反激变换器及两组稳压芯片；反激变换器场效应管驱动信号来自驱动放大电路第三驱动芯片输出；该反激变换器输入端还连接直流功率电源，其输出端连接其中一组稳压芯片构成所述光耦合开关的后供电电源；该直流功率电源还连接另一组稳压芯片构成所述光耦合开关的前供电电源。
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Denomination of invention: A Bridge Type Multilevel Switched Capacitor Converter

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Denomination of invention: A Bridge Type Multilevel Switched Capacitor Converter

Granted publication date: 20180227

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