CN111682754B - 混合功率变换器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混合功率变换器。该混合功率变换器包括：第一组开关元件，连接至该混合功率变换器的第一端，根据第一组控制信号控制该第一组开关元件的导通和关断；电感，连接至第一组开关元件之间的连接节点之一；开关电容网络，连接在电感和混合功率变换器的第二端之间，包括第二组开关元件和第二组电容，并且根据第二组控制信号控制该第二组开关元件的导通和关断，从而周期性地改变电感和第二组电容充电和放电状态，该混合功率变换器分别调节第一组控制信号和第二组控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。该混合功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力、实现电路小型化以及提高电路的转换效率。

Description

混合功率变换器

技术领域

本发明涉及功率变换器，更具体地，涉及一种电感和电容二者作为储能元件的混合功率变换器。

背景技术

功率变换器是将输入电压波形转换成期望的输出电压或输出电流的功率模块。功率变换器包括开关元件和储能元件，开关元件根据控制信号周期性地导通和断开，储能元件则相应地储存电能和释放电能，从而在功率变换器的输出端提供输出电压信号。

在采用电感作为储能元件的功率变换器中，采用反馈环路调节控制信号的占空比，可以获得大致恒定的输出电压或输出电流，采用调节元件调节控制信号的占空比，可以调节输出电压或输出电流的值。在电容作为储能元件的功率变换器中，开关元件的导通时间和关断时间大于充电时间常数和放电时间常数，在稳态下获得与输入电压成固定比例的输出电压。

图1a和图1b分别示出根据现有技术的开关电容网络功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。在功率变换器中，开关元件Q1 和Q2交替导通和关断，电容C1周期性地充电和放电，将电能从输入端传输至输出端，输出电容Co连接在输出端以滤除纹波以获得稳定的输出电压，例如，与输入电压为1：1的固定比例的输出电压。与采用电感的功率变换器相比，采用开关电容拓扑的功率变换器具有电容尺寸小、电路转换效率和功率密度高、开关元件电压应力低的优点，但存在着难以灵活调节输出电压、开关元件数量多、控制电路设计困难的缺点。

因此，需要开发出新型的混合功率变换器电路，兼顾传统的电感和采用电容的功率变换器的优点，从而提供高转换效率、高功率密度的功率解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供提出了一种混合功率变换器，其中，将电感和电容二者作为储能元件，采用分别控制第一组开关元件和第二组开关元件周期性地改变多个电容的连接路径，使得电感和多个电容进行充电和放电状态的切换，以获得在预定电压范围内可以调节的输出电压。

根据本发明提供的一种混合功率变换器，其包括：

第一组开关元件，连接至该混合功率变换器的第一端，根据第一组控制信号控制该第一组开关元件的导通和关断，从而周期性地改变此第一端的连接状态；

电感，连接至该第一组开关元件彼此之间的连接节点之一；

开关电容网络，连接在该电感和混合功率变换器的第二端之间，包括第二组开关元件和第二组电容，并且根据第二组控制信号控制该第二组开关元件的导通和关断，从而周期性地改变该第二组电容的连接路径，使得该电感和该第二组电容进行充电和放电，

其中，该混合功率变换器分别调节该第一组控制信号和第二组控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。

优选地，该第一组开关元件包括：

串联连接在功率变换器的第一端和地之间的第一类开关元件，该第一类开关元件彼此之间形成第一组节点，该第一组节点的其中之一与所述电感连接。

优选地，该第二组开关元件的数量与该第二组电容的数量相同。

优选地，前述开关电容网络包括：

第一路径，包括依次串联于该混合功率变换器的第二端与地之间的第三开关元件、第一电容和第一开关元件，前述第三开关元件、第一电容和第一开关元件之间顺次形成第二节点和第三节点；

第二路径，包括依次串联于该混合功率变换器的第二端与地之间的第六开关元件、第二电容和第四开关元件，前述第六开关元件、第二电容和第四开关元件之间顺次形成第四节点和第五节点；

第二开关元件，连接于前述第四节点与第三节点之间；

第五开关元件，连接于该混合功率变换器的第二端与前述第五节点之间，

并且，前述电感的另一端与前述第三节点连接。

优选地，前述开关电容网络包括：

第二类开关元件，该第二类开关元件中的任一串联在该混合功率变换器的第二端与前述第二组电容中相对应顺位的电容之间，且与相对应顺位的电容之间连接形成第二组节点，该第二组节点中的第一顺位节点与前述电感的另一端连接；

第三类开关元件，该第三类开关元件中的任一串联在前述第二组电容中相对应顺位的电容与地之间，且与地之间连接形成第三组节点；

第四类开关元件，该第四类开关元件中的末位开关元件串联在该混合功率变换器的第二端与前述第三组节点的相应节点之间，且该第四类开关元件的其余顺位开关元件中的任一串联在前述第二组节点中相应顺位的节点与前述第三组节点中相应顺位的节点之间。

优选地，该混合功率变换器还包括第一组电容，前述第一组电容包括第一电容和第二电容，前述第一电容的第一端和前述第二电容的第一端顺序连接至前述第一组节点中的相应节点，前述第二电容的第二端接地，前述第一电容的第二端与前述电感的第一端共同连接至第一节点，前述第一节点为前述第一组节点中的第三顺位节点。

优选地，该混合功率变换器还包括第一组电容，前述第一组电容包括第一电容和第二电容，前述第一电容的第一端与前述电感的第一端共同连接至前述第一组节点中的第一顺位节点，前述第二电容的第一端连接至前述第一组节点中的第二顺位节点，前述第二电容的第二端接地，前述第一电容的第二端连接至前述第一组节点中的第三顺位节点。

优选地，前述第一组控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，前述第一控制信号和前述第二控制信号分别为包括导通时间和关断时间的周期性信号，并且彼此互补；

前述第二组控制信号包括第三控制信号和第四控制信号，前述第三控制信号和第四控制信号分别为包括导通时间和关断时间的周期性信号，并且彼此互补。

优选地，前述第二控制信号与第三控制信号的周期相同，且前述第三控制信号相比于前述第二控制信号延迟一段时间触发。

优选地，前述第一类开关元件中的奇数序号的开关元件的控制端接收前述第一控制信号，前述第一类开关元件中的偶数序号的开关元件的控制端接收前述第二控制信号；

前述第二开关元件和前述第五开关元件的控制端接收前述第三控制信号，前述第一开关元件、第三开关元件、第四开关元件和前述第六类开关元件的控制端接收前述第四控制信号。

优选地，前述第一类开关元件中的奇数序号的开关元件的控制端接收前述第一控制信号，前述第一类开关元件中的偶数序号的开关元件的控制端接收前述第二控制信号；

前述第四类开关元件中的任一开关元件的控制端接收前述第三控制信号，前述第二类开关元件和前述第三类开关元件中的任一开关元件的控制端接收前述第四控制信号。

优选地，在前述开关电容网络中选择前述第二组电容的数量以获得预定电压范围，通过调节前述第一控制信号和前述第二控制信号的占空比以获得前述预定电压范围内期望的输出电压。

优选地，该混合功率变换器的第一端作为输入端以接收前述输入电压，前述功率变换器的第二端作为输出端以提供前述输出电压，该混合功率变换器作为降压变换器工作。

优选地，该混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (12)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示前述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

优选地，该混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝1/2*Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (15)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示前述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

优选地，该混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝1/2*Vi*(1+D1)/[1+N*(1-D2)] (16)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示前述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

优选地，该混合功率变换器还包括：输出电容，前述输出电容连接在前述功率变换器的第二端和地之间。

优选地，该混合功率变换器的第一端作为输出端以提供前述输出电压，前述功率变换器的第二端作为输入端以接收前述输入电压，该混合功率变换器作为升压变换器工作。

优选地，该混合功率变换器还包括：输出电容，该输出电容连接在该功率变换器的第一端和地之间。

本发明的有益效果是：根据本发明提供的混合功率变换器，能提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo，通过分别改变第一组控制信号和第二组控制信号的占空比，以获得预定电压范围内期望的输出电压。因此，该混合功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

根据本发明提供的混合功率变换器，在功率变换器的输入端接入第一组开关元件，在功率变换器的输出端接入开关电容网络，而在第一组开关元件和开关电容网络之间串联连接电感。与传统的采用电感的功率变换器相比，在一个开关周期内，通过控制不同组开关元件的导通或者关断使施加在此电感的伏秒乘积大幅减小。即使采用小尺寸的电感也可以达到高转换效率的要求。因此，该混合功率变换器可以减小电感尺寸以实现小型化。

根据本发明提供的混合功率变换器，在开关电容网络中，由于开关元件的电压应力小于输入电压，因此允许采用低额定电压的开关元件。与高额定电压的开关元件相比，采用低额定电压的开关元件有着低开关损耗和低导通损耗的优势。因此，该混合功率变换器可以运行在高开关频率的同时还提高电路的转换效率(high efficiency)。

根据本发明提供的混合功率变换器，将电感和电容一起作为储能元件，电容的能量密度远远高于电感。与传统的仅采用电感的功率变换器相比，混合功率变换器具有更高的功率密度(high density)。与传统的仅采用电容的功率变换器相比，混合变换器可以利用电感实现输出电压调节能力(regulation)，电路的平滑启动(smooth startup)和多项电路之间的均流(scalability)。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1a和图1b分别示出根据现有技术的开关电容网络功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。

图2a和图2b分别示出本发明第一实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。

图3a～图3d分别示出本发明第一实施例的混合功率变换器分别在第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段的等效电路图。

图4a和4b分别示出本发明第二实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。

图5a和图5b分别示出本发明第三实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。

图6a至图6d分别示出本发明第三实施例的混合功率变换器分别在第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段的等效电路图。

图7a和7b分别示出本发明第四实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。

图8示出本发明第五实施例的混合功率变换器的示意性电路图。

图9示出本发明第六实施例的混合功率变换器的示意性电路图。

图10示出本发明第七实施例的混合功率变换器的示意性电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/ 电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图2a和2b分别示出本发明第一实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。功率变换器20在输入端和地之间接收输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。功率变换器20包括第一组开关元件、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx和Qy，该开关电容网络包括包括开关元件Q1至Q6以及电容C1和C2。

在功率变换器20中，开关元件Qx和Qy依次串联连接在功率变换器20的输入端与地之间，开关元件Qx和Qy的中间节点作为第一节点。电感Ls的第一端连接至第一节点，开关元件Q3、电容C1以及开关元件Q1依次串联在功率变换器20的输出端与地之间，开关元件Q6、电容C2以及开关元件Q4依次串联在功率变换器20的输出端与地之间，开关元件Q3和电容C1的连接节点作为第二节点，电容C1和开关元件 Q1的连接节点作为第三节点，开关元件Q6和电容C2的连接节点作为第四节点，电容C2和开关元件Q4的连接节点作为第五节点，电感Ls 的第二端连接至第二节点，开关元件Q2连接在第三节点和第四节点之间，开关元件Q5连接在功率变换器20的输出端和第五节点之间。输出电容Co连接在功率变换器20的输出端和地之间。

开关元件包括选自场效应晶体管和双极型晶体管的任意一种。在该实施例中，开关元件例如为N型MOSFET，然而，本发明不限于此。开关元件Qx的栅极接收控制信号Gx，开关元件Qy的栅极接收控制信号 Gy，控制信号Gx和Gy为周期性信号，控制信号Gx和Gy分别在各自的开关周期中包括导通时间Ton1和关断时间Toff1，并且，控制信号Gx 和Gy彼此互补，即，在控制信号Gx有效时，控制信号Gy无效，反之亦然。开关元件Q2和Q5的栅极接收控制信号G1，开关元件Q1、Q3、 Q4和Q6的栅极接收控制信号G2。控制信号G1和G2为周期性信号，控制信号G1和G2分别在各自的开关周期中包括导通时间Ton2和关断时间Toff2，并且，控制信号G1和G2彼此互补，即，在控制信号G1 有效时，控制信号G2无效，反之亦然。

为了清楚起见，在图中未示出用于产生控制信号G1和G2、Gx和 Gy的控制电路。在本实施例中，例如控制信号Gx和Gy的开关周期是与控制信号G1和G2的开关周期相等的，所不同的是，控制信号Gx的占空比D1和控制信号G1的占空比D2不同，在本实施例中，控制信号Gx相比于控制信号G2延迟一定时间触发，当然，本发明并不限于此，下文使用具有相同周期T但占空比不同的两个控制信号，每个控制信号通过相位调控各自生成一对互补控制信号，在此仅是为了方便描述功率变换器20的工作过程，及输出电压Vo与输入电压Vi之间比例关系的计算，不应作为对本发明的限制。

具体的例如由控制电路分别产生控制信号G1与G2，以及控制信号 Gx与Gy，控制信号G1、G2、Gx和Gy的工作时序波形如图2b所示。该控制电路可以分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，以改变输出电压Vo和输入电压Vi之间的比例关系，从而期望的输出电压Vo，如下文中所述：

D1＝Ton1/(Ton1+Toff1) (1)

D2＝Ton2/(Ton2+Toff2) (2)

在功率变换器20的工作期间，功率变换器20中的控制信号G1和 G2周期性变化，使得开关元件Q1至Q6的导通状态相应变化，同理，控制信号Gx与Gy周期性变化，使得开关元件Qx和Qy的导通状态也相应变化，因此，在开关周期T的不同阶段，电容C1和C2的连接关系不同，从而其充放电状态相应改变。

如图3a所示，在开关周期T的第一时间段，即在时刻t1至t2的时间段，控制信号Gx和G1有效且控制信号Gy和G2无效，开关元件Qx、 Q2和Q5导通，开关元件Qy、Q1、Q3、Q4和Q6关断。电容C1和C2 依次串联连接在电感Ls的第二端与功率变换器20的输出端之间。功率变换器20的输入电压Vi为电感Ls和电容C1、C2充电，同时，将电能提供至功率变换器20的输出端。

如图3b所示，在开关周期T的第二时间段，即时刻t2至t3的时间段，控制信号G2和Gx有效且控制信号G1和Gy无效，开关元件Qy、 Q2和Q5关断，开关元件Q1、Q3、Q4、Q6和Qx导通。电容C1连接在电感Ls的第二端与地之间，电容C2连接在功率变换器20的输出端与地之间。输入电压Vi给电感Ls充电，同时，电容C1和电容C2放电将电能提供至功率变换器20的输出端。

如图3c所示，在开关周期T的第三时间段，即时刻t3至t4的时间段，控制信号G2和Gy有效且控制信号G1和Gx无效，开关元件Qy、 Q2和Q5关断，开关元件Q1、Q3、Q4、Q6和Qx导通。电容C1连接在电感Ls的第二端与地之间，电容C2连接在功率变换器20的输出端与地之间。。输入电压Vi停止给电感Ls充电，电容C1和电容C2放电的同时，电感Ls也放电，共同将电能提供至功率变换器20的输出端。

如图3d所示，在开关周期T的第四时间段，即时刻t4至t5的时间段，控制信号G1和Gy有效且控制信号G2和Gx无效，开关元件Qx、 Q2和Q5导通，开关元件Qy、Q1、Q3、Q4和Q6关断。电容C1和C2 依次串联连接在电感Ls的第二端与功率变换器20的输出端之间。输入电压Vi停止给电感Ls充电，电感Ls放电给电容C1和电容C2充电，同时将电能提供至功率变换器20的输出端。

在连续的开关周期T中，根据开关电容网络中电容的电荷平衡原理，稳态时电容C1上的直流电压Vc1等于Vo，电容C2上的直流电压Vc2 等于Vo。如图3a所示，在开关周期T的第一时间段，即时刻t1至t2 的时间段，电感Ls第一端的电压等于Vi，电感Ls第二端的电压等于 (Vc1+Vc2+Vo＝3Vo)。如图3b所示，在开关周期T的第二时间段，即时刻t2至t3的时间段，电感Ls第一端的电压等于Vi，电感Ls第二端的电压等于(Vc1＝Vc2＝Vo)。如图3c所示，在开关周期T的第三时间段，即时刻t3至t4的时间段，电感Ls第一端的电压等于0，电感Ls第二端的电压等于(Vc1＝Vc2＝Vo)。如图3d所示，在开关周期T的第四时间段，即时刻t4至t5的时间段，电感Ls第一端的电压等于0，电感 Ls第二端的电压等于(Vc1+Vc2+Vo＝3Vo)。

根据电感的伏秒平衡原理，可知：

(t2-t1)*(Vi-3Vo)+(t3-t2)*(Vi-Vo)-Vo*(t4-t3)-3*(t5-t4)*Vo＝0 (3)

根据图2b可以得到：

(t2-t1)+(t3-t2)＝Ton1 (4)

(t5-t4)+(t4-t3)＝Toff1 (5)

(t2-t1)+(t5-t4)＝Toff2 (6)

(t3-t2)+(t4-t3)＝Ton2 (7)

又根据上文中所述，可以得到：

Ton1+Toff1＝Ton2+Toff2＝T (8)

综上公式(1)到公式(8)，处理得到：在连续的开关周期中，功率变换器20在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝Vi*D1/(3-2*D2) (9)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比。

根据第一实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为2个，以获得0到Vi的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

图4a和4b分别示出本发明第二实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。功率变换器30在输入端和地之间接入输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。功率变换器30包括第一组开关元件、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx和Qy，该开关电容网络包括开关元件Q1、Q2、 Q3至Q(3n-2)、Q(3n-1)、Q(3n)以及电容C1、C2、C3至Cn，其中，n为大于等于1的自然数。

在功率变换器30中，开关元件Qx和Qy依次串联连接在功率变换器30的输入端和地之间，开关元件Qx和Qy的中间节点作为第一节点，电感Ls的第一端连接至第一节点，第二端连接至电容C1，开关元件Q3、电容C1以及开关元件Q1依次串联在功率变换器30的输出端与地之间，开关元件Q6、电容C2以及开关元件Q4依次串联在功率变换器30的输出端与地之间，开关元件Q9、电容C3以及开关元件Q4依次串联在功率变换器30的输出端与地之间，依次类推，开关元件Q(3n)、电容Cn 以及开关元件Q(3n-2)依次串联在功率变换器30的输出端与地之间。开关元件Q3和电容C1的连接节点，开关元件Q6和电容C2的连接节点，直到开关元件Q(3n)和电容Cn的连接节点作为第二组节点，电容C1和开关元件Q1的连接节点，直到电容Cn和开关元件Q(2n+1)的连接节点作为第三组节点，电感Ls的第二端连接至第二组节点的第一顺位节点，即开关元件Q3和电容C1的连接节点，开关元件Q2连接在第二组节点的第二顺位节点与第三组节点的第一顺位节点之间，开关元件Q5连接在第二组节点的第三顺位节点和第三组节点的第二顺位节点之间，以此类推，开关元件Q(3n-1)连接在功率变换器30的输出端和第三组节点的第n个顺位节点之间。输出电容Co连接在功率变换器30的输出端和地之间，其中，n为大于等于1的自然数。

开关元件包括选自场效应晶体管和双极型晶体管的任意一种。在该实施例中，开关元件例如为N型MOSFET，然而，本发明不限于此。开关元件Qx的栅极接收控制信号Gx，开关元件Qy的栅极接收控制信号Gy，控制信号Gx和Gy为周期性信号，控制信号Gx和Gy分别在各自的开关周期中包括导通时间Ton1和关断时间Toff1，并且，控制信号Gx 和Gy彼此互补，即，在控制信号Gx有效时，控制信号Gy无效，反之亦然。开关元件Q2、Q5、Q8至Q(3n-1)的栅极接收控制信号G1，开关元件Q1、Q4至Q(3n-2)，以及开关元件Q3、Q6至Q(3n)的栅极接收控制信号G2。控制信号G1和G2为周期性信号，控制信号G1和G2在各自的开关周期中包括导通时间Ton2和关断时间Toff2，并且，控制信号 G1和G2彼此互补，即，在控制信号G1有效时，控制信号G2无效，反之亦然。

为了清楚起见，在图中未示出用于产生控制信号G1和G2、Gx和 Gy的控制电路。同上文所述，控制信号Gx和Gy的开关周期是与控制信号G1和G2的开关周期相等的，所不同的是，控制信号Gx的占空比 D1和控制信号G1的占空比D2不同，在本实施例中，控制信号Gx相比于控制信号G2延迟一定时间触发，当然，本发明并不限于此，下文使用具有相同周期T但占空比不同的两个控制信号，每个控制信号通过相位调控各自生成一对互补控制信号，在此仅是为了方便描述功率变换器30的工作过程，及输出电压Vo与输入电压Vi之间的比例关系的计算，不应作为对本发明的限制。

具体的，例如由控制电路分别产生控制信号G1与G2，以及控制信号Gx与Gy，控制信号G1、G2、Gx和Gy的工作时序波形如图4b所示。该控制电路可以分别调节控制信号Gx的占空比D1和控制信号G1 的占空比D2，以改变输出电压Vo和输入电压Vi之间的比例关系，从而期望的输出电压Vo，具体的：

D1＝Ton1/(Ton1+Toff1) (10)

D2＝Ton2/(Ton2+Toff2) (11)

在此需要说明的是，下文各实施例中关于控制信号G1和G2、Gx 和Gy的描述与此相同，同时根据控制信号G1、G2、Gx和Gy的工作时序波形均可得到上文所述的公式(4)到公式(8)，故后文不再赘述。

在功率变换器30的工作期间，功率变换器30中的控制信号G1和 G2周期性变化，使得开关元件Q1、Q2、Q3至Q(3n-2)、Q(3n-1)、Q(3n) 的导通状态相应变化，同理，控制信号Gx与Gy周期性变化，使得开关元件Qx和Qy的导通状态也相应变化，因此，在开关周期T的不同阶段，电容C1至C3的连接关系不同，从而充放电状态相应改变。

基于上述第一实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器30在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (12)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比，N表示开关电容网络中电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

根据第二实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为N个，以获得0至Vi的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力 (regulation)，获得期望的转换比。

图5a和图5b分别示出本发明第三实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。功率变换器40在输入端和地之间接收输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。功率变换器40 包括第一组开关元件、第一组电容、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2以及第一组电容包括电容Cx和电容Cy，该开关电容网络包括包括开关元件 Q1至Q6以及电容C1和C2。

在功率变换器40中，开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2依次串联连接在功率变换器40的输入端与地之间，开关元件Qx1、Qy1、Qx2和 Qy2彼此之间依次形成第一节点、第二节点和第三节点。电容Cx连接在第一节点与第三节点之间，电容Cy连接在第二节点与地之间。电感Ls的第一端连接至第三节点，开关元件Q3、电容C1以及开关元件Q1 依次串联在功率变换器40的输出端与地之间，开关元件Q6、电容C2 以及开关元件Q4依次串联在功率变换器40的输出端与地之间，开关元件Q3和电容C1的连接节点作为第四节点，电容C1和开关元件Q1的连接节点作为第五节点，开关元件Q6和电容C2的连接节点作为第六节点，电容C2和开关元件Q4的连接节点作为第七节点，电感Ls的第二端连接至第四节点，开关元件Q2连接在第六节点和第五节点之间，开关元件Q5连接在功率变换器40的输出端和第七节点之间。输出电容Co连接在功率变换器40的输出端和地之间。

开关元件包括选自场效应晶体管和双极型晶体管的任意一种。在该实施例中，开关元件例如为N型MOSFET，然而，本发明不限于此。开关元件Qx1和Qx2的栅极接收控制信号Gx，开关元件Qy1和Qy2的栅极接收控制信号Gy，开关元件Q2和Q5的栅极接收控制信号G1，开关元件Q1、Q3、Q4和Q6的栅极接收控制信号G2。控制信号Gx和Gy，以及控制信号G1和G2的产生及其二者之间的关系与上述第一实施例中的描述相同，且各个控制信号的工作波形与上述图2b中的描述相同，在此不做赘述。

在功率变换器40的工作期间，功率变换器40中的控制信号G1和 G2周期性变化，使得开关元件Q1至Q6的导通状态相应变化，同理，控制信号Gx与Gy周期性变化，使得开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2 的导通状态也相应变化，因此，在开关周期T的不同阶段，电容C1和 C2的连接关系不同，从而其充放电状态相应改变。

如图6a所示，在开关周期T的第一时间段，即时刻t1至t2的时间段，控制信号G1和Gx有效且控制信号G2和Gy无效，开关元件Q1、 Q3、Q4、Q6、Qy1和Qy2关断。电容Cx连接在功率变换器50的输入端与电感Ls的第一端之间，电容Cy连接在电感Ls的第一端与地之间，电容C1和电容C2串联连接在电感Ls的第一端与功率变换器40的输出端之间。功率变换器40的输入电压Vi为电容Cx、电感Ls充电，电容 Cy放电给电感Ls充电，电感Ls经电容C1和C2放电的同时给电容C1 和C2充电，将电能提供至功率变换器40的输出端。

如图6b所示，在开关周期T的第二时间段，即时刻t2至t3的时间段，控制信号G2和Gx有效且控制信号G1和Gy无效，开关元件Qy1、 Qy2、Q2和Q5关断，开关元件Q1、Q3、Q4、Q6、Qx1和Qx2导通开关元件Q2、Q5、Qx1和Qx2导通。电容Cx连接在功率变换器50的输入端与电感Ls的第一端之间，电容Cy连接在电感Ls的第一端与地之间，电容C1连接电感Ls的第二端与地之间，电容C2连接于功率变换器40的输出端和地之间。功率变换器40的输入电压Vi为电容Cx、电感Ls充电，电容Cy放电给电感Ls充电，同时电容C1和电容C2放电，将电能提供至功率变换器40的输出端。

如图6c所示，在开关周期T的第三时间段，即时刻t3至t4的时间段，控制信号G2和Gy有效且控制信号G1和Gx无效，开关元件Qx1、 Qx2、Q2和Q5关断，开关元件Qy1、Qy2、Q1、Q3、Q4和Q6导通。电容Cx和电容Cy串联连接在电感Ls的第一端与地之间，电容C1连接电感Ls的第二端与地之间，电容C2连接于功率变换器40的输出端和地之间。功率变换器40的输入电压Vi停止为电感Ls充电，电容Cx放电给电容Cy充电，电感Ls放电将电能提供至功率变换器40的输出端，同时电容C1和电容C2放电，将电能提供至功率变换器40的输出端。

如图6d所示，在开关周期T的第四时间段，即时刻t4至t5的时间段，控制信号G1和Gy有效且控制信号G2和Gx无效，开关元件Qy1、 Qy2、Q2和Q5导通，开关元件Qx1、Qx2、Q1、Q3、Q4和Q6关断。电容Cx和电容Cy串联连接在电感Ls的第一端与地之间，电容C1和电容C2串联连接在电感Ls的第一端与功率变换器40的输出端之间。功率变换器40的输入电压Vi停止为电感Ls充电，电容Cx放电给电容Cy 充电，电感Ls放电为电容C1和电容C2充电的同时，将电能提供至功率变换器40的输出端。

基于上述第一实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器40在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝1/2*Vi*D1/(3-2*D2) (13)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比。

根据第三实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为2个，以获得Vi/6至Vi的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1 的占空比D2，以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

图7a和图7b分别示出本发明第四实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。功率变换器50在输入端和地之间接收输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。与上述图6a所示第三实施例中相类似，功率变换器50同样包括第一组开关元件、第一组电容包括、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2以及该第一组电容包括电容Cx和电容Cy，该开关电容网络包括包括开关元件Q1至Q6以及电容C1和C2。所不同的是，在功率变换器50中，电感Ls的第一端连接至开关元件Qx2和 Qy2之间的第三节点，同样的，控制信号G2和G1，以及控制信号Gy和 Gx的工作波形如图7b所示，与上述图4b中的描述相同，在此不做赘述。

基于上述第三实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器60在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝1/2*Vi*(1+D1)/(3-2*D2) (14)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比。

根据第四实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为2个，以获得Vi/6至Vi的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

图8示出根据本发明第五实施例的混合功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。功率变换器50在输入端和地之间接入输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。参考上述第二和第四实施例，功率变换器60同样包括第一组开关元件、第一组电容、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx1、 Qy1、Qx2和Qy2，以及第一组电容包括电容Cx和Cy，其电路连接关系与图7a所述第四实施例相同，该开关电容网络包括开关元件Q1、Q2、Q3 至Q(3n-2)、Q(3n-1)、Q(3n)以及电容C1、C2、C3至Cn，其电路连接关系与图4a所述第二实施例相同，在此不做赘述。

基于上述第四实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器60在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝1/2*Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (15)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比，N表示开关电容网络中电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

根据第五实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为N个，以获得0至Vi/2的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

图9示出根据本发明第六实施例的混合功率变换器的示意性电路图。参考图9，功率变换器70在输入端和地之间接入输入电压Vi，在输出端和地之间提供输出电压Vo。与上述图8所示第五实施例中相类似，功率变换器70包括第一组开关元件、第一组电容、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2，以及第一组电容包括电容Cx和Cy，该开关电容网络包括开关元件Q1、 Q2、Q3至Q(3n-2)、Q(3n-1)、Q(3n)以及电容C1、C2、C3至Cn。所不同的是，在功率变换器70中，第一组开关元件和第一组电容中各元件之间的电路连接关系，以及该第一组开关元件和第一组电容分别与电感Ls的连接关系与图7a所述第四实施例相类似，同样的，控制信号G2和G1，以及控制信号Gy和Gx的工作波形如图7b所示，与上述图4b中的描述相同，在此不做赘述。

基于上述第五实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器70在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝1/2*Vi*(1+D1)/[1+N*(1-D2)] (16)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比，N表示开关电容网络中电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

根据第六实施例的功率变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo。在开关电容网络中电容的数量为N个，以获得Vi至Vi*(2+2*N)的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和G1的占空比D2，可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力，获得期望的转换比。

在本发明进一步的实施方案中，上述各个实施例中的输入端和输出端均可以实现调换，即连接在功率变换器的输入端与地之间的输入电压 Vi与连接在功率变换器的输出端与地之间的输出电容Co进行调换，使原本作为降压变换器工作的混合型功率变换器作为升压变换器进行工作，其可以提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo，在此以第六实施例为参考，如图10所示。

根据第七实施例的功率变换器，功率变换器80同样包括第一组开关元件、第一组电容、电感Ls、开关电容网络、以及输出电容Co，该第一组开关元件包括开关元件Qx1、Qy1、Qx2和Qy2，以及第一组电容包括电容Cx和Cy，该开关电容网络包括开关元件Q1、Q2、Q3至Q(3n-2)、 Q(3n-1)、Q(3n)以及电容C1、C2、C3至Cn。所不同的是，在功率变换器 80中，在功率变换器80的第二端和地之间接入输入电压Vi，在功率变换器80的第一端和地之间提供输出电压Vo。同样的，控制信号G2和G1，以及控制信号Gy和Gx的工作波形与上述图4b中的描述相同，在此不做赘述。

基于上述第六实施例的类似原理，在连续的开关周期中，功率变换器60在稳态下的输出电压Vo如下，

Vo＝2*Vi*[1+N*(1-D2)]/(1+D1) (17)

其中，Vi表示输入电压，D1表示控制信号Gx的占空比，D2表示控制信号G1的的占空比，N表示开关电容网络中电容的数量，且N是大于等于1的自然数。在开关电容网络中电容的数量为N个，以获得 Vi*N至Vi*(2*N+2)的预定电压范围。进一步地，在该预定电压范围内，通过分别调节控制信号Gx的占空比D1和控制信号G1的占空比D2，可以获得期望的输入电压。因而，该功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。

上述其他实施例的变换同理，在此不做一一举例说明。

应当说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种混合功率变换器，包括：

第一组开关元件，连接至所述混合功率变换器的第一端，根据第一组控制信号控制所述第一组开关元件的导通和关断，从而周期性地改变所述第一端的连接状态；

电感，连接至所述第一组开关元件彼此之间的连接节点之一；

开关电容网络，连接在所述电感和所述混合功率变换器的第二端之间，包括第二组开关元件和第二组电容，并且根据第二组控制信号控制所述第二组开关元件的导通和关断，从而周期性地改变所述第二组电容的连接路径，使得所述电感和所述第二组电容进行充电和放电，

其中，所述第一组控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号为周期性且彼此互补的信号，所述第二组控制信号包括第三控制信号和第四控制信号，所述第三控制信号和第四控制信号为周期性且彼此互补的信号，所述第二控制信号与第三控制信号的周期相同，且所述第三控制信号相比于所述第二控制信号延迟一段时间触发，

所述开关电容网络包括：

第一路径，包括依次串联于所述混合功率变换器的第二端与地之间的第三开关元件、第一电容和第一开关元件，所述第三开关元件、第一电容和第一开关元件之间顺次形成第二节点和第三节点，并且，所述电感的另一端与所述第二节点连接；

第二路径，包括依次串联于所述混合功率变换器的第二端与地之间的第六开关元件、第二电容和第四开关元件，所述第六开关元件、第二电容和第四开关元件之间顺次形成第四节点和第五节点；

第二开关元件，连接于所述第四节点与第三节点之间；

第五开关元件，连接于所述混合功率变换器的第二端与所述第五节点之间；

或者，所述开关电容网络包括：

第二类开关元件，所述第二类开关元件中的任一串联在所述混合功率变换器的第二端与所述第二组电容中相对应顺位的电容之间，且与相对应顺位的电容之间连接形成第二组节点，所述第二组节点中的第一顺位节点与所述电感的另一端连接；

第三类开关元件，所述第三类开关元件中的任一串联在所述第二组电容中相对应顺位的电容与地之间，且与相对应顺位的电容之间连接形成第三组节点；

第四类开关元件，所述第四类开关元件中的末位开关元件串联在所述混合功率变换器的第二端与所述第三组节点的相应节点之间，且所述第四类开关元件的其余顺位开关元件中的任一串联在所述第二组节点中相应顺位的节点与所述第三组节点中相应顺位的节点之间，

所述混合功率变换器分别调节所述第一组控制信号和第二组控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。

2.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述第一组开关元件包括：

串联连接在所述混合功率变换器的第一端和地之间的第一类开关元件，所述第一类开关元件彼此之间形成第一组节点，所述第一组节点的其中之一与所述电感连接。

3.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述第二组开关元件的数量与所述第二组电容的数量相同。

4.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，还包括：

第一组电容，所述第一组电容包括第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端和所述第二电容的第一端顺序连接至所述第一组节点中的相应节点，所述第二电容的第二端接地，所述第一电容的第二端与所述电感的第一端共同连接至第一节点，所述第一节点为所述第一组节点中的第三顺位节点。

5.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，还包括：

第一组电容，所述第一组电容包括第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端与所述电感的第一端共同连接至所述第一组节点中的第一顺位节点，所述第二电容的第一端连接至所述第一组节点中的第二顺位节点，所述第二电容的第二端接地，所述第一电容的第二端连接至所述第一组节点中的第三顺位节点。

6.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，所述第一类开关元件中的奇数序号的开关元件的控制端接收所述第一控制信号，所述第一类开关元件中的偶数序号的开关元件的控制端接收所述第二控制信号；

所述第二开关元件和所述第五开关元件的控制端接收所述第三控制信号，所述第一开关元件、第三开关元件、第四开关元件和所述第六开关元件的控制端接收所述第四控制信号。

7.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，所述第一类开关元件中的奇数序号的开关元件的控制端接收所述第一控制信号，所述第一类开关元件中的偶数序号的开关元件的控制端接收所述第二控制信号；

所述第四类开关元件中的任一开关元件的控制端接收所述第三控制信号，所述第二类开关元件和所述第三类开关元件中的任一开关元件的控制端接收所述第四控制信号。

8.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，在所述开关电容网络中选择所述第二组电容的数量以获得预定电压范围，通过调节所述第一控制信号和所述第二控制信号的占空比以获得所述预定电压范围内期望的输出电压。

9.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器的第一端作为输入端以接收所述输入电压，所述混合功率变换器的第二端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器作为降压变换器工作。

10.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (12)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示所述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

11.根据权利要求4所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝1/2*Vi*D1/[1+N*(1-D2)] (15)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示所述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

12.根据权利要求5所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，

Vo＝1/2*Vi*(1+D1)/[1+N*(1-D2)] (16)

其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第三控制信号的的占空比，N表示所述第二组电容的数量，且N是大于等于1的自然数。

13.根据权利要求9所述的混合功率变换器，还包括：输出电容，所述输出电容连接在所述混合功率变换器的第二端和地之间。

14.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器的第一端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器的第二端作为输入端以接收所述输入电压，所述混合功率变换器作为升压变换器工作。

15.根据权利要求14所述的混合功率变换器，还包括：输出电容，所述输出电容连接在所述混合功率变换器的第一端和地之间。

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