CN118199399A

CN118199399A - 电压转换器

Info

Publication number: CN118199399A
Application number: CN202310117118.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡文田; 柯庚佑; 王肇纬; 李清然
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2024-06-14

Abstract

本申请为一种电压转换器，连接至负载。电压转换器包括：电源、第一开关元件、第二开关元件、储能电感器、储能电容器与N个电容模块。第一开关元件连接于电源的第一端与第一节点之间。第二开关元件连接于第一节点与第二节点之间。电源的第二端连接至第二节点。储能电感器连接于第一节点与第三节点之间。N个电容模块连接于第三节点与第四节点之间，且N为正整数。储能电容器连接于第四节点与第二节点之间。

Description

电压转换器

技术领域

本申请为一种电压转换器，且特别是有关于一种减少电感能量转换(reducedinductive energy conversion)的电压转换器。

背景技术

随着电力电子与半导体技术的进步，对于电源供应器的性能与方便性有着更多的要求，其中便对于功率密度的提升有更深的期盼与规范。目前，许多电力电子技术的研究者，为提升功率密度，纷纷导入宽能隙元件，即在原有的现有电源转换器中，将功率开关由金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)改由氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)取代，利用元件材料的改良，磁性元件以更高的频率工作，使磁性元件体积变小，功率密度有所提升。但是，更高的频率意喻着有着更明显的噪声干扰，如电磁干扰。因此，在不提升工作频率的前提下，有效降低电感体积，同时降低电感所需转换的能量，为本领域人员所积极开发的目标项目之一。

发明内容

本申请有关于一种电压转换器，连接至负载，并产生输出电压至该负载。该电压转换器包括：电源，提供输入电压；第一开关元件，连接于该电源的第一端与第一节点之间；第二开关元件，连接于该第一节点与第二节点之间，且该电源的第二端连接至该第二节点；储能电感器，连接于该第一节点与第三节点之间；N个电容模块，连接于该第三节点与该第四节点之间，其中N为正整数；以及，储能电容器，连接于该第四节点与该第二节点之间，且该负载适于连接于该第二节点与该第四节点之间；其中，每一该电容模块包括电容器，该电压转换器于第一运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电感器、该储能电容器与该电容器串联，此时该输入电压对该储能电感器、该储能电容器与该电容器充电；该电压转换器于第二运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电感器、该储能电容器与该电容器并联，此时该储能电感器放电，将该储能电感器的储能转移到该储能电容器与该电容器。

本申请有关于一种电压转换器，连接至负载，并产生输出电压至该负载。该电压转换器包括：电源，提供输入电压；第一开关元件，连接于该电源的第一端与第一节点之间；储能电容器，连接于第二节点与第三节点之间，且该电源的第二端连接至该第二节点；以及，N个电容模块，连接于该第一节点与该第三节点之间，其中N为正整数；其中，每一该电容模块包括电容器，该电压转换器于第一运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电容器与该电容器串联，此时该输入电压对该储能电容器与该电容器充电；该电压转换器于第二运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电容器与该电容器并联。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本申请电压转换器的第一实施例；

图1B与图1C为本申请电压转换器的各种运作模式示意图；

图1D为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的电感电压V_L变化示意图；

图1E，为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的储能量与电感功率P变化示意图；

图2A与图2B为本申请电压转换器选择二个电容模块来运作时的示意图；

图2C为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的电感电压V_L变化示意图；

图2D为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的储能量与电感功率P变化示意图；

图3A与图3B为本申请电压转换器选择一个电容模块来运作时的示意图；

图4为本申请电压转换器的第二实施例；

图5A与图5B为第二实施例电压转换器选择第三电容模块为致能状态来运作的示意图；

图6A与图6B为第二实施例电压转换器选择第一电容模块与第三电容模块为致能状态来运作的示意图；

图7A与图7B第二实施例电压转换器选择第二电容模块与第三电容模块为致能状态来运作的示意图；

图8为非定电压电源提供的输入电压示意图；

图9为功率晶体管所组成的电容模块；

图10A为本申请电压转换器的第三实施例；以及

图10B与图10C为本申请第三实施例电压转换器的各种运作模式示意图。

其中，附图标记：

200,500,900:电压转换器

205:电源

210,220,230,700:电容模块

280,580:控制器

290:负载

510:连接元件

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

本申请提出一种电压转换器，电压转换器中包括多个电容模块(capacitormodule)，利用电容模块来降低充电时储能电感器上的电感电压，以使储能电感器的跨压降低。再者，相较于现有的电压转换器，藉由本申请的控制电容模块中的开关电路(switchingcircuit)的切换，可使得部份原本应储存于储能电感器的能量转移至电容模块中，并降低储能电感器的能量转换。

请参照图1A，其所绘示为本申请电压转换器的第一实施例。电压转换器200连接至负载(load)290。电压转换器200包括电源(power source)205、二个开关元件(switchingelement)SW₁与SW₂、储能电感器(energy storage inductor)L、储能电容器(energystorage capacitor)C_O与多个电容模块(capacitor module)210～230。其中，电源205可提供输入电压V_i，电压转换器200可产生输出电压V_O至负载290，且输出电压V_O小于输入电压V_i，亦即V_O<V_i。

开关元件SW₁连接于电源205的第一端与节点a之间，且开关元件SW₁接收控制信号S_c1。开关元件SW₂连接于节点a与节点b之间，且开关元件SW₂接收控制信号S_c2。电源205的第二端连接于节点b。储能电感器L连接于节点a与节点c之间。储能电容器C_O连接于节点d与节点b之间。另外，节点d耦接至节点e，负载290连接于节点d与节点b之间，储能电容器C_O与负载290的电压相同，即为输出电压V_O。

三个电容模块210～230有相同的构造，可彼此串接于节点c与节点d之间。第一电容模块210包括：第一端点(first end)a1、第二端点(second end)a2、电容器C_a1、第一开关电路SW_a1、第二开关电路SW_a2与第三开关电路SW_a3。第一电容模块210的第一端点a1连接至节点c，且第一电容模块210的第一端点a1连接至电容器C_a1的第一端。第一开关电路SW_a1连接于电容器C_a1的第二端与第一电容模块210的第二端点a2之间。第二开关电路SW_a2连接于第一电容模块210的第一端点a1与节点e之间。第三开关电路SW_a3连接于电容器C_a1的第二端与节点b之间。

第二电容模块220包括：第一端点b1、第二端点b2、电容器C_b1、第一开关电路SW_b1、第二开关电路SW_b2与第三开关电路SW_b3。第二电容模块220的第一端点b1连接至第一电容模块210的第二端点a2，且第二电容模块220的第一端点b1连接至电容器C_b1的第一端。第一开关电路SW_b1连接于电容器C_b1的第二端与第二电容模块220的第二端点b2之间。第二开关电路SW_b2连接于第二电容模块220的第一端点b1与节点e之间。第三开关电路SW_b3连接于电容器C_b1的第二端与节点b之间。

第三电容模块230包括：第一端点c1、第二端点c2、电容器C_c1、第一开关电路SW_c1、第二开关电路SW_c2与第三开关电路SW_c3。第三电容模块230的第一端点c1连接至第二电容模块220的第二端点b2，且第三电容模块230的第一端点c1连接至电容器C_c1的第一端。第一开关电路SW_c1连接于电容器C_c1的第二端与第三电容模块230的第二端点c2之间。第二开关电路SW_c2连接于第三电容模块230的第一端点c1与节点e之间。第三开关电路SW_c3连接于电容器C_c1的第二端与节点b之间。

根据本申请的实施例，三个电容模块210～230中的电容器C_a1、C_b1、C_c1以及储能电容器C_O有相同的电容值。通过开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的切换，可使电容器C_a1、C_b1、C_c1的连接方式转换为与储能电感器L、储能电容器C_O串联或并联。

电压转换器200更包括一控制器280，可产生控制信号组S_c。控制信号组S_c包括多个控制信号S_c1～S_c2、S_ca1～S_ca3、S_cb1～S_cb3、S_cc1～S_cc3，分别适于控制电压转换器200中所有开关元件SW₁～SW₂与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的连接方式。当电压转换器200正常工作时，控制器280可控制开关元件SW₁～SW₂与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3为导通状态(on state)或者截止状态(offstate)。为了说明方便，以下的说明中将省略控制器280以及所有控制信号S_c1～S_c2、S_ca1～S_ca3、S_cb1～S_cb3、S_cc1～S_cc3，仅描述开关元件SW₁～SW₂与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的状态。

请参照图1B与图1C，其所绘示为本申请电压转换器的各种运作模式示意图。电压转换器200正常工作时，会在第一运作模式Mode1与第二运作模式Mode2之间切换。

如图1B所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(off state)。在三个电容模块210～230中，第一开关电路SW_a1、SW_b1、SW_c1为导通状态(on state)，第二开关电路SW_a2、SW_b2、SW_c2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3、SW_c3为截止状态(offstate)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与电容模块210～230中的电容器C_a1、C_b1、C_c1串联，电源205提供输入电压V_i对储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_a1、C_b1、C_c1充电(charge)。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductor voltage)V_L等于(V_i-4V_O)，亦即V_L＝V_i-4V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图1C所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(off state)。在三个电容模块210～230中，第一开关电路SW_a1、SW_b1、SW_c1为截止状态(offstate)，第二开关电路SW_a2、SW_b2、SW_c2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3、SW_c3为导通状态(on state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与电容模块210～230中的电容器C_a1、C_b1、C_c1彼此并联，储能电感器L放电，储能电感器L的电感电流I_L分成四个电流I_L1～I_L4，即I_L1＝I_L2＝I_L3＝I_L4＝I_L/4，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_a1、C_b1、C_c1。储能电感器L的电感电压(inductor voltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

请参照图1D，其所绘示为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的电感电压V_L变化示意图。请参照图1E，其所绘示为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的储能量与电感功率P变化示意图。其中，虚线代表现有电压转换器，实线代表本申请的电压转换器。在现有的电压转换器中，包含电源、二个开关元件、储能电感器与储能电容器。相较于本申请的电压转换器200，现有电压转换器缺少了电容模块210～230的设置。本申请的电压转换器200与现有电压转换器的运作条件为：48V的输入电压V_i、5V的输出电压V_O、100W的输出功率。

如图1D的虚线所示，现有电压转换器于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，电感电压V_L为+43V(即V_L＝V_i-V_O＝48-5)。在第二运作模式Mode2(即放电模式)时，电感电压V_L为-5V。另外，对应本申请的电压转换器200，在三个电容模块210～230同时运作下，如图1D的实线所示，于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，电感电压V_L为+28V(即V_L＝V_i-4V_O＝48-20)。在第二运作模式Mode2(即放电模式)时，电感电压V_L为-5V。明显地，在第一运作模式Mode1时，本申请电压转换器200确实可以降低电感电压V_L，亦即降低储能电感器L的最高跨压。

如图1E的虚线所示，现有电压转换器于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，储能电感L的最大电感功率P为+952W。另外，对应本申请的电压转换器200，在三个电容模块210～230同时运作下，如图1E的实线所示，于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，储能电感L的最大电感功率P为+438W。因此，于第一运作模式Mode1(即充电模式)中，比较现有电压转换器与本申请的电压转换器200的电感储能能量，将电感功率P对工作时间t进行积分，可以得知本申请的电压转换器200的电感储能能量低于现有电压转换器的电感储能能量，现有电压转换器每一切换周期的最高储能量达898(微焦耳，μJ)，而本申请的电压转换器200的最高储能量为587μJ。明显地，本申请电压转换器200确实可以降低储能电感L的能量转换。

在以上的图1B与图1C中，可进一步利用控制器280的控制信号组S_c来控制三个电容模块210～230皆为致能状态(enable state)。实际上，控制器280可选择性地控制第一电容模块210与第二电容模块220为致能状态(enable state)，而控制第三电容模块230为失效状态(disable state)。或者，控制器280可选择性地控制第一电容模块210为致能状态(enable state)，而控制第二电容模块220与第三电容模块230为失效状态(disablestate)。也就是说，本申请的电压转换器200可以选择任意数目的电容模块来运作，并产生输出信号V_O。

另外，当电容模块为失效状态(disable state)时，失效的电容模块内的第二开关电路于第一运作模式时为导通状态(on state)，失效电容模块内的第二开关电路于第二运作模式时为截止状态(off state)。而失效的电容模块内的第一开关电路与第三开关电路于第一运作模式与第二运作模式中皆维持在截止状态(offstate)。以下介绍本申请第一实施例电压转换器200选择各种数目的电容模块来运作的范例。

请参照图2A与图2B，其所绘示为本申请电压转换器选择二个电容模块来运作时的示意图。其中，第一电容模块210与第二电容模块220为致能状态(enable state)，第三电容模块230为失效状态(disable state)。

如图2A所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(off state)。在第一电容模块210与第二电容模块220中，第一开关电路SW_a1、SW_b1为导通状态(on state)，第二开关电路SW_a2、SW_b2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3为截止状态(offstate)。在第三电容模块230中，由于第三电容模块230为失效状态，第二开关电路SW_c2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_c1以及第三开关电路SW_c3为截止状态(offstate)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210、第二电容组220中的电容器C_a1、C_b1串联，电源205提供输入电压V_i对储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_a1、C_b1充电(charge)。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductorvoltage)V_L等于(V_i-3V_O)，亦即V_L＝V_i-3V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图2B所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(off state)。在第一电容模块210与第二电容模块220中，第一开关电路SW_a1、SW_b1为截止状态(off state)，第二开关电路SW_a2、SW_b2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3为导通状态(on state)。在第三电容模块230中，由于第三电容模块230为失效状态，第一开关电路SW_c1、第二开关电路SW_c2以及第三开关电路SW_c3皆为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210、第二电容组220中的电容器C_a1、C_b1彼此并联，储能电感器L放电，储能电感器L的电感电流I_L分成三个电流I_L1～I_L3，即I_L1＝I_L2＝I_L3＝I_L/3，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_a1、C_b1。储能电感器L的电感电压(inductor voltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

请参照图2C，其所绘示为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的电感电压V_L变化示意图。请参照图2D，其所绘示为现有电压转换器与本申请电压转换器运作时的储能电感器L的储能量与电感功率P变化示意图。其中，虚线代表现有电压转换器，实线代表本申请的电压转换器。在现有的电压转换器中，包含电源、二个开关元件、储能电感器与储能电容器。相较于本申请的电压转换器200，现有电压转换器缺少了电容模块210～230的设置。本申请的电压转换器200与现有电压转换器的运作条件为：48V的输入电压V_i、12V的输出电压V_O、144W的输出功率。其中，本申请电压转换器200控制二个电容模块210、220为致能状态(enable state)，电容模块230为失效状态(disable state)。

如图2C的虚线所示，现有电压转换器于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，电感电压V_L为+36V(即V_L＝V_i-V_O＝48-12)。在第二运作模式Mode2(即放电模式)时，电感电压V_L为-12V。另外，对应本申请的电压转换器200，在选择二个电容模块210、220运作下，如图2C的实线所示，于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，电感电压V_L为+12V(即V_L＝V_i-3V_O＝48-36)。在第二运作模式Mode2(即放电模式)时，电感电压V_L为-5V。明显地，在第一运作模式Mode1时，本申请电压转换器200确实可以降低电感电压V_L，亦即降低储能电感器L的最高跨压。

如图2D的虚线所示，现有电压转换器于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，储能电感L的最大电感功率P为+511W。另外，对应本申请的电压转换器200，在选择二个电容模块210、220运作下，如图2D的实线所示，于第一运作模式Mode1(即充电模式)时，储能电感L的最大电感功率P为+89W。因此，于第一运作模式Mode1(即充电模式)中，比较现有电压转换器与本申请的电压转换器200的电感储能能量，将电感功率P对工作时间t进行积分，可以得知本申请的电压转换器200的电感储能能量低于现有电压转换器的电感储能能量，现有电压转换器每一切换周期的最高储能量达1077μJ，而本申请的电压转换器200的最高储能量为358μJ。明显地，本申请电压转换器200确实可以降低储能电感L的能量转换。

请参照图3A与图3B，其所绘示为本申请电压转换器选择一个电容模块来运作时的示意图。其中，第一电容模块210为致能状态(enable state)，第二电容模块220与第三电容模块220为失效状态(disable state)。

如图3A所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(off state)。在第一电容模块210中，第一开关电路SW_a1为导通状态(onstate)，第二开关电路SW_a2以及第三开关电路SW_a3为截止状态(off state)。在第二电容模块220与第三电容模块230中，由于第二电容模块220与第三电容模块230为失效状态，第二开关电路SW_b2、SW_c2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_b1、SW_c1以及第三开关电路SW_b3、SW_c3为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210的电容器C_a1串联，电源205提供输入电压V_i对储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_a1充电(charge)。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductorvoltage)V_L等于(V_i-2V_O)，亦即V_L＝V_i-2V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图3B所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(off state)。在第一电容模块210中，第一开关电路SW_a1为截止状态(offstate)，第二开关电路SW_a2以及第三开关电路SW_a3为导通状态(on state)。在第二电容模块220与第三电容模块230中，由于第二电容模块220与第三电容模块230为失效状态，第一开关电路SW_b1与SW_c1、第二开关电路SW_b2与SW_c2以及第三开关电路SW_b3与SW_c3皆为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210中的电容器C_a1彼此并联，储能电感器L放电，储能电感器L的电感电流I_L分成二个电流I_L1、I_L2，即I_L1＝I_L2＝I_L/2，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_a1。储能电感器L的电感电压(inductor voltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

同理，在选择一个电容模块运作的情况下，在第一运作模式Mode1时，本申请电压转换器200确实可以降低电感电压V_L。再者，本申请电压转换器200确实可以降低储能电感L的能量转换。

再者，图1A中的电压转换器200中连接了三个电容模块210～230。实际上，本申请的电压转换器并不限定于连接三个电容模块210～230。本申请的电压转换器可以连接一个以上的电容模块。

举例来说，电压转换器包括N个电容模块，连接于节点c与节点d之间，其中N为任意正整数。

以图1A为例，当电压转换器200中包括二个以上的电容模块(N＝3)时，在这些电容模块中，第一电容模块的第一端点连接至节点c，其他电容模块的第一端点连接至前一个电容模块的第二端点，而最后一个电容模块(亦即，第N电容模块)的第二端点连接节点d。当然，当电压转换器200中仅具有单一个电容模块(N＝1)时，此电容模块的第一端点连接至节点c，此电容模块的第二端点连接节点d。

另外，于电压转换器正常工作时，电压转换器可以选择M个电容模块来运作，并控制该M个电容模块为致能状态，其他(N-M)个电容模块为失效状态。其中，M为正整数，且M小于等于N。

也就是说，于电压转换器的第一运作模式Mode 1(即充电模式)时，M个致能状态的电容模块中的M个电容器、储能电感器L与储能电容器C_O串联，并且电源以输入电压V_i对M个致能状态的电容模块中的M个电容器、储能电感器L、储能电容器C_O充电(charge)。

再者，于电压转换器的第二运作模式Mode 2(即放电模式)时，M个致能状态的电容模块中的M个电容器、储能电感器L与储能电容器C_O之间彼此并联，储能电感器L中的储能转移至M个致能状态电容模块中的M个电容器与储能电容器C_O。

请参照图4，其所绘示为本申请电压转换器的第二实施例。相较于第一实施例的电压转换器200，第二实施例的电压转换器500增加一连接元件(connecting element)510，耦接(couple to)于节点e与节点d之间。其中，连接元件510可为一开关元件SW₃或者一短路元件(short circuit element)。

举例来说，当连接元件510为短路元件时，节点e直接连接至节点d。也就是说，当连接元件510为短路元件时，第二实施例的电压转换器500相同于第一实施例的电压转换器200。而于第一运作模式Mode 1与第二运作模式Mode 2时，控制器580产生控制信号组S_c来控制开关元件SW₁、SW₂与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的方式类似于第一实施例，此处不再赘述。

在以下的说明中，以连接元件510为开关元件SW₃来解释第二实施例电压转换器500的运作。其中，开关元件SW₃接收控制信号S_c3。控制器580产生的控制信号组S_c包括多个控制信号，分别适于控制电压转换器500中的开关元件SW₁～SW₃与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的连接方式。

在第二实施例中，利用开关元件SW₃来让电压转换器500的运作更有弹性。举例来说，第一实施例电压转换器200要选择以一个电容模块来运作时，因电路设计与电流流向的关系，仅能选择第一电容模块210为致能状态。而第二实施例电压转换器500要选择以一个电容模块来运作时，可以弹性的选择第一电容模块210或者第三电容模块230为致能状态。

再者，第一实施例电压转换器200要选择以二个电容模块来运作时，因电路设计与电流流向的关系，仅能选择第一电容模块210与第二电容模块220为致能状态。而第二实施例电压转换器500要选择以二个电容模块来运作时，可以弹性的选择第一电容模块210、第二电容模块220或第三电容模块230的其中二者为致能状态。以下说明之。

请参照图5A与图5B，其所绘示为第二实施例电压转换器选择第三电容模块为致能状态来运作的示意图。

如图5A所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为截止状态(offstate)。由于第一电容模块210与第二电容模块230为失效状态，在第一电容模块210中，第二开关电路SW_a2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_a1以及第三开关电路SW_a3为截止状态(offstate)。在第二电容模块220中，三个开关电路SW_b1～SW_b3为截止状态(offstate)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1与第二开关电路SW_c2为导通状态(on state)，第三开关电路SW_c3为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第三电容模块230中的电容器C_c1串联，电源205提供输入电压V_i对储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_c1充电(charge)。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductorvoltage)V_L等于(V_i-2V_O)，亦即V_L＝V_i-2V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图5B所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为导通状态(on state)。由于第一电容模块220与第二电容模块230为失效状态，在第一电容模块210中，第二开关电路SW_a2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_a1以及第三开关电路SW_a3为截止状态(offstate)。在第二电容模块220中，三个开关电路SW_b1～SW_b3为截止状态(offstate)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1为截止状态(off state)，第二开关电路SW_c2以及第三开关电路SW_c3为导通状态(on state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第三电容模块230中的电容器C_c1彼此并联，储能电感器L放电，储能电感器L的电感电流I_L分成二个电流I_L1、I_L2，即I_L1＝I_L2＝I_L/2，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_c1。储能电感器L的电感电压(inductorvoltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

请参照图6A与图6B，其所绘示为第二实施例电压转换器选择第一电容模块与第三电容模块为致能状态来运作的示意图。

如图6A所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为截止状态(offstate)。在第一电容模块210中，第一开关电路SW_a1为导通状态(on state)，第二开关电路SW_a2以及第三开关电路SW_a3为截止状态(off state)。在第二电容模块220中，由于第二电容模块220为失效状态，第二开关电路SW_b2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_b1以及第三开关电路SW_b3为截止状态(off state)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1与第二开关电路SW_c2为导通状态(on state)，第三开关电路SW_c3为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210、第三电容模块230中的电容器C_a1、C_c1串联，电源205充电(charge)储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_a1、C_c1。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductor voltage)V_L等于(V_i-3V_O)，亦即V_L＝V_i-3V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图6B所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为导通状态(on state)。在第一电容模块210中，第一开关电路SW_a1为截止状态(off state)，第二开关电路SW_a2以及第三开关电路SW_a3为导通状态(on state)。在第二电容模块220中，由于第二电容模块220为失效状态，三个开关电路SW_b1～SW_b3为截止状态(offstate)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1为截止状态(off state)，第二开关电路SW_c2以及第三开关电路SW_c3为导通状态(on state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第一电容模块210、第三电容模块230中的电容器C_a1、C_c1彼此并联，储能电感器L放电，储能电感器L的电感电流I_L分成三个电流I_L1、I_L2、I_L3，即I_L1＝I_L2＝I_L3＝I_L/3，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_a1、C_c1。储能电感器L的电感电压(inductor voltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

请参照图7A与图7B，其所绘示为第二实施例电压转换器选择第二电容模块与第三电容模块为致能状态来运作的示意图。

如图7A所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)，开关元件SW₂为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为截止状态(off state)。在第一电容模块210中，由于第一电容模块210为失效状态，第二开关电路SW_a2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_a1以及第三开关电路SW_a3为截止状态(off state)。在第二电容模块220中，第三开关电路SW_b3为截止状态(offstate)，第一开关电路SW_b1以及第二开关电路SW_b2为导通状态(on state)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1为导通状态(onstate)，第二开关电路SW_c2与第三开关电路SW_c3为截止状态(off state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第二电容模块220、第三电容模块230中的电容器C_b1、C_c1串联，电源205提供输入电压V_i对储能电感器L、储能电容器C_O与电容器C_b1、C_c1充电(charge)。储能电感器L的电感电流(inductor current)I_L上升，电感电压(inductor voltage)V_L等于(V_i-3V_O)，亦即V_L＝V_i-3V_O。第一运作模式Mode1即为充电模式。

如图7B所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₂为导通状态(on state)，开关元件SW₁为截止状态(offstate)，作为连接元件510的开关元件SW₃为导通状态(on state)。在第一电容模块210中，由于第一电容模块210为失效状态，第二开关电路SW_a2为导通状态(on state)，第一开关电路SW_a2以及第三开关电路SW_a3为截止状态(off state)。在第二电容模块220中，第一开关电路SW_b1为截止状态(offstate)，第二开关电路SW_b2以及第三开关电路SW_b3为导通状态(on state)。在第三电容模块230中，第一开关电路SW_c1为截止状态(off state)，第二开关电路SW_c2以及第三开关电路SW_c3为导通状态(on state)。此时，储能电感器L、储能电容器C_O与第二电容模块220、第三电容模块230中的电容器C_b1、C_c1彼此并联，储能电感器L放电，电感电流I_L分成三个电流I_L1、I_L2、I_L3，即I_L1＝I_L2＝I_L3＝I_L/3，同时将储能电感器L的储能转移到储能电容器C_O与电容器C_b1、C_c1。储能电感器L的电感电压(inductorvoltage)V_L等于(-V_O)，亦即V_L＝-V_O。第二运作模式Mode2即为放电模式。

在上述的第一实施例与第二实施例的电压转换器200、500中，电源205的输入电压V_i皆为直流电压(DC voltage)。当然，电源205的输入电压V_i也可以是整流电压(rectifiedvoltage)。再者，电压转换器200、500选择电容模块的数目可以根据整流电压与输出电压之间的关系来决定，并且可以优化电压转换器的特性。

根据本申请的实施例，电压转换器选择电容模块的最大数目亦即，将括号中计算数值的小数无条件舍去，即为整数M。要注意的是，所述电压模块的最大数目M意指选择上使用的最大组数，可使储能电感器L的储能减到最小，但并不以此为限。在实际使用上，使用较少数量(如<M)的电压模块，相较于现有的电压转换器，亦可达到降低储能电感器L的储能之效。一般来说，当电压转换器为DC-DC的电压转换器，其输入电压可为一定电压，电压转换器可选择电容模块的最大数目为宜；惟当电压转换器应用于交流电经整流后的整流电压作为输入电压时，输入电压不是定电压，本申请亦可依整流电压的输入电压值机动调整电容模块在致能状态的数量。

请参照图8，其所绘示为非定电压的电源提供的输入电压示意图。电源205中包括一全波整流器(full-wave rectifier)，可将交流电压(AC voltage)转换为输入电压V_i，且输入电压为整流电压(rectified voltage)。其中，V_PK为整流电压的峰值电压。因此，当输入电压V_i在4倍输出电压V_O至5倍输出电压V_O之间时，电压转换器最多但不限于选择致能3组(M＝3)电容模块来运作；当输入电压V_i在3倍输出电压V_O至4倍输出电压V_O之间时，电压转换器最多但不限于选择致能2组(M＝2)电容模块来运作；当输入电压V_i在2倍输出电压V_O至3倍输出电压V_O之间时，电压转换器最多但不限于选择1组(M＝1)电容模块来运作；当输入电压V_i在1倍输出电压V_O至2倍输出电压V_O之间时，电压转换器可选择将全部的电容模块处于失效状态(M＝0)来运作。

举例来说，输出电压V_O为+40V。当整流电压(rectified voltage)的输入电压V_i在40V～80V之间时，电压转换器可选择0组(M＝0)电容模块来运作。当整流电压的输入电压V_i在80V～120V之间时，电压转换器可选择1组(M＝1)电容模块来运作。当整流电压的输入电压V_i在120V～160V之间时，电压转换器可选择2组(M＝2)电容模块来运作。当整流电压的输入电压V_i在160V～200V之间时，电压转换器可选择3组(M＝3)电容模块来运作。

再者，本申请第一实施例与第二实施例的变压转换器200、500中的开关元件SW₁、SW₂、SW₃以及开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3可由各种主动式开关元件来实现，包括功率场效晶体管(powerMOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，简称IGBT)，以及氮化镓(GaN)或者碳化硅(SiC)材质所制造的功率场效晶体管，惟不以此为限。此外，在其他实施例中，开关元件SW₂可以二极管元件来实现。以下以功率晶体管为例来作说明。

请参照图9，其所绘示为功率晶体管所组成的电容模块。电容模块700包括：第一端点a1、第二端点a2、电容器C₁、第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂与第三晶体管Q₃。每一个晶体管Q₁～Q₃皆具有一第一汲/源端(drain/source terminal)、一第二汲/源端与一闸极端(gateterminal)。

电容模块700的第一端点a1连接至电容器C₁的第一端。第一晶体管Q₁的第一汲/源端接至电容器C₁的第二端，第一晶体管Q₁的第二汲/源端接至电容模块700的第二端点a2，第一晶体管Q₁的闸极端接收控制信号S_ca1。第二晶体管Q₂的第一汲/源端连接至电容模块700的第一端点a1，第二晶体管Q₂的闸极端接收控制信号S_ca2。第三晶体管Q₃的第一汲/源端连接至电容器C₁的第二端，第三晶体管Q₃的闸极端接收控制信号S_ca3。再者，第二晶体管Q₂的第二汲/源端可连接至电压转换器的节点e，第三晶体管Q₃的第二汲/源端可连接至电压转换器的节点b。在实际使用上，前述任一电容模块210～230可以本实施例的电容模块700置换，并不以此为限。

请参照图10A，其所绘示为本申请电压转换器的第三实施例。相较于第一实施例的电压转换器200，第三实施例的电压转换器900减少了储能电容器L以及第二开关元件SW₂，且节点a连接至第一电容模块210的第一端点a1。因此，不再赘述第三实施例电压转换器900中各元件的连接关系。

相同地，控制器280产生的控制信号组S_c包括多个控制信号S_c1、S_ca1～S_ca3、S_cb1～S_cb3、S_cc1～S_cc3，分别适于控制电压转换器900中的开关元件SW₁与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的连接方式。因此，第三实施例的电压转换器900可以选择任意数目的电容模块来运作。以下仅介绍第三实施例的电压转换器900选择以3个数目的电容模块来运作。

为了说明方便，以下的说明中将省略控制器280以及所有控制信号S_c1、S_ca1～S_ca3、S_cb1～S_cb3、S_cc1～S_cc3，仅描述开关元件SW₁与开关电路SW_a1～SW_a3、SW_b1～SW_b3、SW_c1～SW_c3的状态。请参照图10B与图10C，其所绘示为本申请第三实施例电压转换器的各种运作模式示意图。电压转换器900正常工作时，会在第一运作模式Mode1与第二运作模式Mode2之间切换。

如图10B所示，于第一运作模式Mode1时，开关元件SW₁为导通状态(on state)。在三个电容模块210～230中，第一开关电路SW_a1、SW_b1、SW_c1为导通状态(on state)，第二开关电路SW_a2、SW_b2、SW_c2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3、SW_c3为截止状态(off state)。此时，储能电容器C_O与三个电容模块210～230中的电容器C_a1、C_b1、C_c1串联，电源205的输入电压V_i提供充电电流I_CHG来对电容器C_O与电容器C_a1、C_b1、C_c1充电，此时电压转换器900的输出电压V_O为输入电压V_i的1/4，亦即V_i＝4V_O。

如图10C所示，于第二运作模式Mode2时，开关元件SW₁为截止状态(off state)。在三个电容模块210～230中，第一开关电路SW_a1、SW_b1、SW_c1为截止状态(offstate)，第二开关电路SW_a2、SW_b2、SW_c2以及第三开关电路SW_a3、SW_b3、SW_c3为导通状态(on state)。此时，储能电容器C_O与电容模块210～230中的电容器C_a1、C_b1、C_c1彼此并联。

由以上的说明可知，本申请提出一种电压转换器。在第一实施例与第二实施例中，于电压转换器200、500的第一运作模式Mode 1(即充电模式)时，串联储能电感器L、电容模块中的电容器以及储能电容器并形成充电路径，以降低储能电感器L的电感电压V_L。于电压转换器200、500的第二运作模式Mode 2(即放电模式)时，储能电感器L、电容模块中的电容器以及储能电容器并联，使得储能电感器L将储能转移至电容模块中的电容器中。另外，在第三实施例中，于电压转换器900的第一运作模式Mode 1时，串联电容模块中的电容器以及储能电容器并形成充电路径。于电压转换器900的第二运作模式Mode 2时，将电容模块中的电容器以及储能电容器并联。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种电压转换器，适于连接至负载，并产生输出电压至该负载，其特征在于，该电压转换器包括：

电源，提供输入电压；

第一开关元件，连接于该电源的第一端与第一节点之间；

第二开关元件，连接于该第一节点与第二节点之间，且该电源的第二端连接至该第二节点；

储能电感器，连接于该第一节点与第三节点之间；

N个电容模块，连接于该第三节点与第四节点之间，其中N为正整数；以及

储能电容器，连接于该第二节点与该第四节点之间，且该负载适于连接于该第二节点与该第四节点之间；

其中，每一该电容模块包括电容器，该电压转换器于第一运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电感器、该储能电容器与该电容器串联，此时该输入电压对该储能电感器、该储能电容器与该电容器充电；该电压转换器于第二运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电感器、该储能电容器与该电容器并联，此时该储能电感器放电，将该储能电感器的储能转移到该储能电容器与该电容器。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其中每一该电容模块更包括：第一端点、第二端点、第一开关电路、第二开关电路与第三开关电路，该电容器的第一端连接至该第一端点，该第一开关电路连接于该电容器的第二端与该第二端点之间，该第二开关电路连接于该第一端点与第五节点之间，以及该第三开关电路连接于该电容器的该第二端与该第二节点之间，该第四节点耦接至该第五节点。

3.如权利要求2所述的电压转换器，其特征在于，其中当N等于1时，该电容模块的该第一端点连接至该第三节点，且该电容模块的该第二端点连接至该第四节点。

4.如权利要求2所述的电压转换器，其特征在于，其中当N大于1时，在该N个电容模块中，第一个该电容模块的该第一端点连接至该第三节点，其他该电容模块的该第一端点连接至其前一该电容模块的该第二端点，第N个该电容模块的该第二端点连接该第四节点。

5.如权利要求2所述的电压转换器，其特征在于，其中更包括连接元件，耦接于该第四节点与该第五节点之间，该连接元件为第三开关元件或者短路元件。

6.如权利要求2所述的电压转换器，其特征在于，更包括控制器，产生控制信号组，适于控制该第一开关元件、该第二开关元件以及该N个电容模块中的该第一开关电路、该第二开关电路与该第三开关电路的连接方式，以使该电容器转换为与该储能电感器、该储能电容器串联或并联。

7.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其中于该电压转换器运作时，该电压转换器选择M个电容模块来运作，该电压转换器控制该M个电容模块为致能状态，该电压转换器控制(N-M)个电容模块为失效状态，M为正整数，且M小于等于N。

8.如权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，其中于该第一运作模式时，处于该致能状态的该M个电容模块中的该M个电容器、该储能电感器与该储能电容器串联，并且该电源以该输入电压对处于该致能状态的该M个电容模块中的该M个电容器、该储能电感器与该储能电容器充电，于该第二运作模式时，处于该致能状态的该M个电容模块中的该M个电容器、该储能电感器与该储能电容器并联，该储能电感器中的储能转移至处于该致能状态的该M个电容模块中的该M个电容器与该储能电容器。

9.如权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，其中该输入电压为整流电压，根据该整流电压的输入电压值机动调整该M个电容模块在致能状态的数量。

10.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其中每一该电容模块更包括：第一端点、第二端点、第一晶体管、第二晶体管与第三晶体管，该电容器的第一端连接至该第一端点，该第一晶体管连接于该电容器的第二端与该第二端点之间，该第二晶体管连接于该第一端点与第五节点之间，以及该第三晶体管连接于该电容器的该第二端与该第二节点之间，其中，该第四节点耦接至该第五节点。

11.一种电压转换器，连接至负载，并产生输出电压至该负载，其特征在于，该电压转换器包括：

电源，提供输入电压；

第一开关元件，连接于该电源的第一端与第一节点之间；

储能电容器，连接于第二节点与第三节点之间，且该电源的第二端连接至该第二节点；以及

N个电容模块，连接于该第一节点与该第三节点之间，其中N为正整数；

其中，每一该电容模块包括电容器，该电压转换器于第一运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电容器与该电容器串联，此时该输入电压对该储能电容器与该电容器充电；该电压转换器于第二运作模式时，控制该N个电容模块的连接方式，使该储能电容器与该电容器并联。

12.如权利要求11所述的电压转换器，其特征在于，其中每一该电容模块更包括：第一端点、第二端点、第一开关电路、第二开关电路与第三开关电路，该电容器的第一端连接至该第一端点，该第一开关电路连接于该电容器的第二端与该第二端点之间，该第二开关电路连接于该第一端点与第四节点之间，以及该第三开关电路连接于该电容器的该第二端与该第二节点之间，该第三节点耦接至该第四节点。

13.如权利要求12所述的电压转换器，其特征在于，其中更包括连接元件，耦接于该第三节点与该第四节点之间，该连接元件为第三开关元件或者短路元件。