DE112016001188T5 - Construction of flexible power converters with control loops and switching networks - Google Patents
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- H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
Abstract
Eine Vorrichtung zum Verarbeiten von elektrischer Leistung schließt einen Stromrichter ein, der einen Pfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten und einem zweiten Stromrichteranschluss aufweist. Während des Betriebs werden der erste und der zweite Stromrichteranschluss auf einer ersten bzw. einer zweiten Spannung gehalten. Ein Regelkreis und ein Schaltnetz sind auf dem Pfad angeordnet. Der erste Regelkreis schließt ein Magnetspeicherelement und einen ersten Regelkreisanschluss ein. Der erste Regelkreisanschluss ist mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden. Das Schalternetz wechselt zwischen einer ersten Schalterkonfiguration und einer zweiten Schalterkonfiguration. In der ersten Schalterkonfiguration wird das erste Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate aufgeladen. Dagegen wird das erste Leistungsspeicherelement in der zweiten Konfiguration mit einer zweiten Rate entladen. Diese Raten werden vom Magnetspeicherelement beschränkt.An apparatus for processing electrical power includes a power converter having a path for current flow between first and second power converter terminals. During operation, the first and second power converter terminals are maintained at a first and a second voltage, respectively. A control loop and a switching network are arranged on the path. The first control loop includes a magnetic storage element and a first loop connection. The first loop connection is connected to the first switch mode connection. The switch network alternates between a first switch configuration and a second switch configuration. In the first switch configuration, the first charge storage element is charged at a first rate. In contrast, the first power storage element in the second configuration is discharged at a second rate. These rates are limited by the magnetic storage element.
Description
VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENREFER TO RELATED APPLICATIONS
Diese Anmeldung beansprucht die Prioritätsrechte der am 13. März 2015 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/132,701. Ihr Inhalt wird in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen.This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 62 / 132,701, filed March 13, 2015. Its contents are incorporated by reference herein in their entirety.
GEBIET DER OFFENBARUNGAREA OF REVELATION
Die Offenbarung betrifft Stromversorgungseinrichtungen und insbesondere Stromrichter.The disclosure relates to power supply devices and in particular power converters.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Viele Stromrichter beinhalten Schalter und einen oder mehrere Kondensatoren, die beispielsweise verwendet werden, um tragbare elektronische Geräte und Unterhaltungselektronik mit Leistung zu versorgen. Geschaltete Stromrichter regulieren die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom durch Schalten von Energiespeicherelementen (d. h. Induktoren und Kondensatoren) in unterschiedliche Konfigurationen unter Verwendung eines Schalternetzes. Schaltkondensator-Stromrichter sind geschaltete Stromrichter, die in erster Linie Kondensatoren verwenden, um Energie zu übertragen. In solchen Stromrichtern wird die Anzahl der Kondensatoren und Schalter größer, wenn das Transformationsverhältnis bzw. die Übersetzung größer wird. Schalter in dem Schalternetz sind üblicherweise aktive Bauelemente, die als Transistoren implementiert werden. Das Schalternetz kann auf einem einzigen oder auf mehreren monolithischen Halbleitersubstraten integriert oder unter Verwendung separater Bauelemente ausgebildet werden.Many power converters include switches and one or more capacitors used, for example, to power portable electronic and consumer electronics. Switched converters regulate the output voltage or output current by switching energy storage elements (i.e., inductors and capacitors) into different configurations using a switch network. Switched capacitor power converters are switched power converters that primarily use capacitors to transfer energy. In such power converters, the number of capacitors and switches increases as the transformation ratio increases. Switches in the switch network are usually active devices that are implemented as transistors. The switch network may be integrated on a single or multiple monolithic semiconductor substrates or formed using separate devices.
Typischerweise führen DC-DC- bzw. Gleichstromrichter eine Spannungstransformation und eine Ausgaberegelung durch. Dies geschieht üblicherweise in einem einstufigen Stromrichter, beispielsweise einem Abwärtswandler. Es ist jedoch möglich, diese beiden Funktionen auf zwei spezialisierte Stufen aufzuteilen, nämlich eine Transformationsstufe, beispielsweise ein Schaltnetz, und eine separate Regelungsstufe, beispielsweise einen Regelkreis. Die Transformationsstufe transformiert eine Spannung in eine andere, während die Regelungsstufe sicherstellt, dass die Spannung und/oder der Strom, der bzw. die aus der Transformationsstufe ausgegeben wird, erwünschte Eigenschaften behält.Typically, DC-DC and DC converters perform voltage transformation and output regulation. This is usually done in a single stage power converter, such as a buck converter. However, it is possible to divide these two functions into two specialized stages, namely a transformation stage, for example a switching network, and a separate regulation stage, for example a control loop. The transformation stage transforms one voltage into another while the regulation stage ensures that the voltage and / or the current output from the transformation stage retains desired characteristics.
KURZFASSUNGSHORT VERSION
In einem Aspekt weist die Erfindung als Merkmal eine Vorrichtung zur Verarbeitung elektrischer Leistung auf. Eine solche Vorrichtung schließt einen Stromrichter ein mit einem Strompfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten und einem zweiten Stromrichteranschluss, die während ihres Betriebs bei einer entsprechenden ersten bzw. zweiten Spannung gehalten werden. Die zweite Spannung ist niedriger als die erste. Ein erster Regelkreis und ein Schaltnetz liegen beide auf dem Strompfad. Das Schaltnetz schließt ein erstes Ladungsspeicherelement und einen ersten und einen zweiten Schaltnetzanschluss ein. Der erste Regelkreis schließt ein erstes Magnetspeicherelement und einen ersten Regelkreisanschluss ein. Der Strompfad schließt den ersten Regelkreisanschluss, den ersten Schaltnetzanschluss und den zweiten Schaltnetzanschluss ein, wobei der erste Regelkreisanschluss mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden ist. Das Schaltnetz wechselt zwischen einer ersten und einer zweiten Schalterkonfiguration. In der ersten wird ein erstes Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate aufgeladen, und in der zweiten Schalterkonfiguration wird das erste Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate entladen. Das erste Magnetspeicherelement beschränkt beide Raten. In manchen Fällen ist die Beschränkung von der Art, dass die Raten gleich sind, während sie in anderen Fällen unterschiedlich sind.In one aspect, the invention features a device for processing electrical power. Such a device includes a power converter having a current path between a first and a second power converter terminal that are maintained at a respective first and second voltage during operation thereof. The second voltage is lower than the first one. A first control circuit and a switching network are both on the current path. The switching network includes a first charge storage element and a first and a second switching power supply. The first control circuit includes a first magnetic storage element and a first control circuit connection. The current path includes the first loop connection, the first switch mode connection, and the second switch mode connection, wherein the first loop connection is connected to the first switch mode connection. The switching network alternates between a first and a second switch configuration. In the first, a first charge storage element is charged at a first rate, and in the second switch configuration, the first charge storage element is discharged at a second rate. The first magnetic storage element limits both rates. In some cases, the restriction is such that the rates are the same, while in other cases they are different.
Manche Ausführungsformen schließen auch einen zweiten Regelkreis ein, der auf dem Pfad angeordnet ist. In diesen Ausführungsformen schließt der zweite Regelkreis einen zweiten Regelkreisanschluss ein, der ebenfalls auf dem Strompfad liegt. Dieser zweite Regelkreisanschluss wird mit dem zweiten Schaltnetzanschluss verbunden.Some embodiments also include a second loop located on the path. In these embodiments, the second control circuit includes a second loop connection, which also lies on the current path. This second loop connection is connected to the second switch mode connection.
In manchen Ausführungsformen schließt das Schaltnetz ferner ein zweites Ladungsspeicherelement ein. Dadurch, dass das Schaltnetz in die erste Schalterkonfiguration gebracht wird, wird das zweite Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate entladen. Dadurch, dass das Schaltnetz in die zweite Konfiguration gebracht wird, wird das zweite Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate aufgeladen. Das erste Magnetspeicherelement beschränkt beide Raten.In some embodiments, the switching network further includes a second charge storage element. By bringing the switching network into the first switch configuration, the second charge storage element is discharged at a first rate. By bringing the switching network into the second configuration, the second charge storage element is charged at a second rate. The first magnetic storage element limits both rates.
Zu den Ausführungsformen, die einen zweiten Regelkreis aufweisen, gehören solche, in denen der zweite Regelkreis ein zweites Magnetspeicherelement und einen mit dem zweiten Magnetspeicherelement verbundenen Schalter einschließt, wobei der Schalter so gesteuert werden kann, dass er zwischen mindestens zwei Schaltkonfigurationen umschaltet. Zu diesen Ausführungsformen gehören solche, bei denen der zweite Regelkreis ferner eine Rückkopplungsschleife zum Steuern des Betriebs des Schalters als Reaktion auf eine gemessene Ausgabe des Stromrichters einschließt. Embodiments comprising a second loop include those in which the second loop includes a second magnetic memory element and a switch connected to the second magnetic memory element, the switch being controllable to switch between at least two switching configurations. These embodiments include those in which the second control loop further includes a feedback loop for controlling the operation of the switch in response to a measured output of the power converter.
In anderen Ausführungsformen schließt das erste Magnetspeicherelement ein Filter ein. Dazu gehören Ausführungsformen, bei denen das Filter eine Resonanzfrequenz aufweist.In other embodiments, the first magnetic storage element includes a filter. These include embodiments in which the filter has a resonant frequency.
Zu den Ausführungsformen, die zwei Regelkreise aufweisen, gehören solche, die einen dritten Regelkreis aufweisen. In manchen von diesen Ausführungsformen ist der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden und weist einen Induktor auf, der mit einem Induktor gekoppelt ist, und der zweite Regelkreis schießt einen Induktor ein, der mit dem Induktor des dritten Regelkreises gekoppelt ist. In anderen wird der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden, und sowohl der zweite als auch der dritte Regelkreis schließen Induktoren ein, die sich ein und denselben Induktorkern teilen. In Ausführungsformen, die gekoppelte Induktoren aufweisen, können die Induktoren so gekoppelt sein, dass das Produkt aus Spannung und Strom an beiden Induktoren jeweils gleiche Vorzeichen oder entgegengesetzte Vorzeichen aufweist.Embodiments comprising two control loops include those having a third control loop. In some of these embodiments, the third loop is connected to the switching network and has an inductor coupled to an inductor and the second loop injects an inductor coupled to the inductor of the third loop. In others, the third loop is connected to the switching network, and both the second and third loop include inductors sharing one and the same inductor core. In embodiments having coupled inductors, the inductors may be coupled such that the product of voltage and current has the same sign or opposite sign at both inductors.
Die Erfindung kann mit vielen Arten von Schaltnetzen verwirklicht werden. Zum Beispiel schließt das Schaltnetz in manchen Ausführungsformen ein rekonfigurierbares Schaltnetz ein. Wie hierin verwendet, ist ein rekonfigurierbares Schaltnetz eines, das einen Satz von Schalterkonfigurationen {α1, α2, ... αn} aufweist, worin n > 2, und das Schaltnetz für alle m, n in der Lage ist, zwischen αb und αn zu wechseln.The invention can be realized with many types of switching networks. For example, in some embodiments, the switching network includes a reconfigurable switching network. As used herein, a reconfigurable switching network is one having a set of switch configurations {α 1 , α 2 , ... α n }, where n> 2, and the switching network for all m, n is capable of between α to change b and α n .
In anderen schließt es ein Mehrphasen-Schaltnetz ein. In noch anderen schließt es ein mehrstufiges Mehrphasen-Schaltnetz oder ein mehrstufiges Schaltnetz ein. Noch andere Ausführungsformen weisen Schaltnetze auf, die einen Kaskadenvervielfacher einschließen.In others it includes a polyphase switching network. In still others, it includes a multi-stage multi-phase switching network or a multi-stage switching network. Still other embodiments have switching networks that include a cascade multiplier.
Die Erfindung kann auch mit vielen Arten von Regelkreisen verwirklicht werden. Diese schließen bidirektionale Regelkreise, Mehrphasen-Regelkreise, geschaltete Stromrichter, Resonanz-Stromrichter, einen Abwärtswandler, einen Aufwärtswandler, einen Abwärts-/Aufwärtswandler, einen linearen Regler, einen buk-Stromrichter, einen Sperrwandler, einen Durchflusswandler, einen Halbbrückenwandler, einen Vollbrückenwandler, ein Magnetspeicherelement und ein Magnetfilter ein.The invention can also be implemented with many types of control circuits. These include bidirectional control loops, polyphase control loops, switched power converters, resonant power converters, a buck converter, a boost converter, a buck-boost converter, a linear regulator, a buck converter, a flyback converter, a forward converter, a half-bridge converter, a full-bridge converter Magnetic storage element and a magnetic filter.
In manchen Ausführungsformen empfängt das Schaltnetz an einem Eingang eine Ladung und gibt die Ladung an einem Ausgang aus. In diesen Ausführungsformen wird ein Ladungstransport vom Eingang zum Ausgang in mehr als einem Schaltzyklus ausgeführt.In some embodiments, the switching network receives a charge at an input and outputs the charge at an output. In these embodiments, charge transport from input to output is performed in more than one switching cycle.
Zu den Ausführungsformen, die einen Sperrwandler als Merkmal aufweisen, gehören solche, die einen quasiresonanten Sperrwandler, einen Active-Clamp-Sperrwandler, einen verschachtelten Sperrwandler oder einen Dualschalter-Sperrwandler einschließen.Embodiments incorporating a flyback converter include those including a quasi-resonant flyback converter, an active-clamp flyback converter, a nested flyback converter, or a dual-switch flyback converter.
Zu den Ausführungsformen, die einen Durchflusswandler als Merkmal aufweisen, gehören solche, die einen Multiresonanz-Durchflusswandler, einen Active-Clamp-Durchflusswandler, einen verschachtelten Durchflusswandler oder einen Dualschalter-Durchflusswandler einschließen.Embodiments that feature a flow transducer include those that include a multi-resonance flow transducer, an active-clamp flow transducer, a nested flow transducer, or a dual-switch flow transducer.
Zu den Ausführungsformen, die einen Halbbrückenwandler einschließen, gehören solche, die einen asymmetrischen Halbbrückenwandler, einen Multiresonanz-Halbbrückenwandler oder einen LLC-Resonanz-Halbbrückenwandler einschließen.Embodiments that include a half-bridge converter include those including an asymmetric half-bridge converter, a multi-resonance half-bridge converter, or an LLC resonance half-bridge converter.
Die Erfindung ist nicht auf Gleichspannungsanwendungen beschränkt. Zum Beispiel ist in manchen Ausführungsformen das Schaltnetz ein Wechselspannungsschaltnetz. Dazu gehören Ausführungsformen mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die mit dem Wechselspannungsschaltnetz verbunden ist. Dazu gehören Ausführungsformen, bei denen die Leistungsfaktorkorrekturschaltung zwischen dem Wechselspannungsschaltnetz und dem ersten Regelkreis liegt.The invention is not limited to DC applications. For example, in some embodiments, the switching network is an AC switching network. These include embodiments with a power factor correction circuit connected to the AC power grid. These include embodiments in which the power factor correction circuit is connected between the AC voltage switching network and the first control loop.
In manchen Ausführungsformen ändert der Stromrichter Schalterkonfigurationen des Schaltnetzes bei einer Frequenz, die verschieden ist von einer Frequenz, bei der die Schaltkonfiguration des ersten und/oder des zweiten Regelkreises geändert wird.In some embodiments, the power converter changes switch configurations of the switching network at a frequency different from a frequency at which the switching configuration of the first and / or second control circuits is changed.
In anderen Ausführungsformen schließt das Schaltnetz einen asymmetrischen Kaskadenvervielfacher mit mehreren Gleichspannungsknoten ein, von denen jeder zur Verfügung steht, um Leistung mit einer Spannung zu liefern, die ein Mehrfaches der ersten Spannung ist. In other embodiments, the switching network includes an asymmetrical cascade multiplier having a plurality of DC nodes, each of which is available to provide power at a voltage that is a multiple of the first voltage.
Noch andere Ausführungsformen schließen eine Schaltung mit integrierter Leistungsverwaltung ein, in die der erste Regelkreis eingebaut ist. In diesen Ausführungsformen schließt der Strompfad ein Strompfadteilstück ein, das sich aus der Schaltung mit integrierter Leistungsverwaltung hinaus und in das Schaltnetz hinein erstreckt.Still other embodiments include an integrated power management circuit incorporating the first control loop. In these embodiments, the current path includes a current path section that extends beyond the integrated power management circuit and into the switching network.
Andere Ausführungsformen schließen Schalter ein, die unterschiedliche physikalische Flächeninhalte aufweisen.Other embodiments include switches having different physical areas.
Zu den Ausführungsformen gehören auch solche, bei denen die Schalterbreiten der Schalter so ausgewählt werden, dass eine Zeitkonstante der Ladungsübertragung zwischen Ladungsspeicherelementen des Schaltnetzes mindestens so groß ist wie eine Schaltfrequenz, bei der das Schaltnetz seinen Zustand ändert.The embodiments also include those in which the switch widths of the switches are selected so that a time constant of the charge transfer between charge storage elements of the switching network is at least as large as a switching frequency at which the switching network changes state.
Eine noch andere Ausführungsform verbessert einen Wirkungsgrad, da sie Schalter mit höheren Widerständen aufweist. In diesen Ausführungsformen ist das Schaltnetz so konfiguriert, dass bei der Schaltfrequenz des Schaltnetzes eine Erhöhung des Widerstands der Schalter einen Verlust verringert, der damit assoziiert ist, dass Strom innerhalb des Schaltnetzes fließt.Yet another embodiment improves efficiency by having higher resistance switches. In these embodiments, the switching network is configured such that, at the switching network switching frequency, increasing the resistance of the switches reduces a loss associated with current flowing within the switching network.
Die verschiedenen Komponenten des Geräts müssen nicht die gleiche Masse aufweisen. In der Tat kann eine Masse in Bezug auf die andere schweben.The various components of the device need not be the same mass. In fact, one mass can float in relation to the other.
Zum Beispiel empfängt in manchen Ausführungsformen der erste Regelkreis eine erste Spannungsdifferenz, und der zweite Stromrichteranschluss gibt eine zweite Spannungsdifferenz aus. Die erste Spannungsdifferenz ist eine Differenz zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, die kleiner ist als die erste Spannung; die zweite Spannungsdifferenz ist eine Differenz zwischen einer dritten Spannung und einer vierten Spannung, die kleiner ist als die dritte Spannung. In diesen Ausführungsformen ist eine Differenz zwischen der vierten Spannung und der zweiten Spannung ungleich null. In anderen Ausführungsformen empfängt der erste Regelkreis eine Gleichspannungsdifferenz, und der Stromrichter empfängt eine Wechselspannungsdifferenz. Die Gleichspannung ist eine Differenz zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, die kleiner ist als die erste Spannung; die Wechselspannungsdifferenz ist eine Differenz zwischen einer im Zeitverlauf variierenden Spannung und einer konstanten Spannung. Eine Differenz zwischen der konstanten Spannung und der zweiten Spannung ist ungleich null.For example, in some embodiments, the first control loop receives a first voltage difference, and the second power converter terminal outputs a second voltage differential. The first voltage difference is a difference between a first voltage and a second voltage that is less than the first voltage; the second voltage difference is a difference between a third voltage and a fourth voltage that is less than the third voltage. In these embodiments, a difference between the fourth voltage and the second voltage is not equal to zero. In other embodiments, the first control loop receives a DC voltage difference, and the power converter receives an AC voltage differential. The DC voltage is a difference between a first voltage and a second voltage that is smaller than the first voltage; the AC voltage difference is a difference between a time varying voltage and a constant voltage. A difference between the constant voltage and the second voltage is not equal to zero.
In einem anderen Aspekt weist die Erfindung als Merkmal ein Verfahren auf, mit dem bewirkt wird, dass ein Stromrichter elektrische Leistung verarbeitet. Solch ein Verfahren schließt ein, dass auf einem Strompfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten Stromrichteranschluss und einem zweiten Stromrichteranschluss ein erster Regelkreisanschluss eines ersten Regelkreises mit einem ersten Schaltnetzanschluss eines ersten Schaltnetzes verbunden wird, das erste Schaltnetz in eine Konfiguration gebracht wird, die eine Aufladung des ersten Ladungsspeicherelements des ersten Schaltnetzes zulässt, unter Verwendung von Energie, die von einem Magnetspeicherelement im ersten Regelkreis in einem Magnetfeld gespeichert wird, eine Aufladungsrate eines ersten Ladungsspeicherelements des ersten Schaltnetzes beschränkt wird, unter Verwendung der Schalter im ersten Schaltnetz das erste Schaltnetz in eine Konfiguration gebracht wird, die eine Entladung des ersten Ladungsspeicherelements des ersten Schaltnetzes zulässt, und unter Verwendung der Energie, die vom ersten Magnetspeicherelement im ersten Regelkreis gespeichert wird, eine Entladungsrate des ersten Ladungsspeicherelements des ersten Schaltnetzes beschränkt wird.In another aspect, the invention features a method of causing a power converter to process electrical power. Such a method includes connecting, on a current path between a first power converter terminal and a second power converter terminal, a first loop of a first loop to a first switching grid of a first switching network, setting the first switching network in a configuration that is charging the first grid first charge storage element of the first switching network allows, using energy stored by a magnetic storage element in the first loop in a magnetic field, a charging rate of a first charge storage element of the first switching network is limited, using the switch in the first switching network, the first switching network in a configuration becomes a discharging rate of the first charge storage element of the first switching network, and using the energy stored by the first magnetic storage element in the first control loop, a discharge rate d it is limited first charge storage element of the first switching network.
Manche Praktiken schließen ferner ein, dass ein zweiter Regelkreisanschluss eines zweiten Regelkreises mit einem zweiten Schaltnetzanschluss des ersten Schaltnetzes verbunden wird und unter Verwendung des zweiten Regelkreises der erste Stromrichteranschluss bei einer zweiten Spannung gehalten wird, wodurch der zweite Stromrichteranschluss auf einer zweiten Spannung gehalten wird, die niedriger ist als die erste Spannung, wofür Schalter im ersten Schaltnetz verwendet werden.Some practices further include connecting a second loop of a second loop to a second switched grid of the first switching network and using the second loop to maintain the first power converter terminal at a second voltage, thereby maintaining the second power converter terminal at a second voltage is lower than the first voltage, for which switches are used in the first switching network.
Andere Praktiken schließen ein, dass während einer Beschränkung einer Aufladungsrate eines zweiten Ladungsspeicherelements eine Entladungsrate des ersten Ladungsspeicherelements beschränkt wird, und während einer Beschränkung einer Entladungsrate des ersten Ladungsspeicherelements eine Aufladungsrate des zweiten Ladungsspeicherelements beschränkt wird.Other practices include limiting a discharge rate of the first charge storage element during a restriction of a charge rate of a second charge storage element, and limiting a charge rate of the second charge storage element during a restriction of a discharge rate of the first charge storage element.
Eine noch andere Praxis schließt ein, dass ein Schalter, der mit einem Magnetspeicherelement des zweiten Regelkreises verbunden ist, als Reaktion auf eine gemessene Ausgabe des Stromrichters gesteuert wird. Still another practice involves controlling a switch connected to a magnetic storage element of the second control loop in response to a measured output of the power converter.
In manchen Praktiken schließt das erste Magnetspeicherelement ein Filter ein. Dazu gehören Praktiken, bei denen dieses Filter eine Resonanzfrequenz aufweist.In some practices, the first magnetic storage element includes a filter. These include practices where this filter has a resonant frequency.
Zu den Praktiken, in denen ein zweiter Regelkreis verwendet wird, gehören solche, die einen dritten Regelkreis einschließen, dem mit dem Schaltnetz verbunden ist. Der dritte Regelkreis schließt einen Induktor ein, und der erste Regelkreis schließt einen Induktor ein, der mit dem Induktor des dritten Regelkreises gekoppelt ist. Die beiden Induktoren können positiv oder negativ gekoppelt werden.Practices in which a second loop is used include those that include a third loop connected to the switching network. The third loop includes an inductor, and the first loop includes an inductor coupled to the inductor of the third loop. The two inductors can be coupled positively or negatively.
Zu Praktiken, in denen ein zweiter Regelkreis verwendet wird, gehören solche, in denen der zweite Regelkreis einen Induktorkern aufweist und ein Induktor in einem dritten Regelkreis, der mit dem Schaltnetz verbunden ist, denselben Induktorkern aufweist.Practices in which a second loop is used include those in which the second loop has an inductor core and an inductor in a third loop connected to the switching network has the same inductor core.
Manche Praktiken schließen ein, dass die Änderungsrate auf solche Weise beschränkt wird, dass die erste Rate und die zweite Rate gleich sind. Andere schließen ein, dass die Änderungsrate auf solche Weise beschränkt wird, dass die erste Rate und die zweite Rate nicht gleich sind.Some practices include limiting the rate of change in such a way that the first rate and the second rate are the same. Others include that the rate of change be limited in such a way that the first rate and the second rate are not equal.
Für Praktiken der Erfindung kommen eine Reihe von Schaltnetzen in Frage. Zum Beispiel schließen Praktiken der Erfindung ein, dass als Schaltnetz ein rekonfigurierbares Schaltnetz ausgewählt wird, ein Mehrphasen-Schaltnetzes ausgewählt wird, ein seriell-paralleles Mehrphasen-Schaltnetzes ausgewählt wird, ein mehrstufiges Mehrphasen-Schaltnetz ausgewählt wird, ein Kaskadenvervielfacher ausgewählt wird oder ein mehrstufiges Schaltnetz ausgewählt wird.For practices of the invention, a number of switching networks come into question. For example, practices of the invention include selecting a reconfigurable switching network as switching network, selecting a polyphase switching network, selecting a serial-parallel polyphase switching network, selecting a multi-stage polyphase switching network, selecting a cascade multiplier, or a multilevel switching network is selected.
Eine Reihe verschiedener Regelkreise können in verschiedenen Praktiken verwendet werden. Zum Beispiel schließen Praktiken der Erfindung ein, dass als Regelkreis ein bidirektionaler, ein mehrphasiger, ein geschalteter Stromrichter, ein Resonanz-Stromrichter, ein Magnetspeicherelement oder ein Magnetfilter ausgewählt wird.A number of different control loops can be used in different practices. For example, practices of the invention include selecting a bidirectional, a polyphase, a switched power converter, a resonant power converter, a magnetic storage element, or a magnetic filter as the control loop.
Andere Praktiken schließen ein, dass als Schaltnetz ein Wechselspannungsschaltnetz ausgewählt wird. Dazu gehören Praktiken, die das Steuern eines Leistungsfaktors einer Ausgabe des Wechselspannungsschaltnetzes einschließen. Dazu gehören Praktiken, die einschließen, dass eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung zwischen das Wechselspannungsschaltnetz und den ersten Regelkreis geschaltet wird.Other practices include selecting an AC switching network as the switching network. These include practices that include controlling a power factor of an output of the AC switching network. These include practices that involve switching a power factor correction circuit between the AC switching network and the first control loop.
Noch andere Praktiken schließen ein, dass Schalterkonfigurationen des Schaltnetzes bei einer Frequenz geändert werden, die verschieden ist von einer Frequenz, bei der die Schaltkonfiguration des ersten und/oder des zweiten Regelkreises geändert wird.Still other practices include changing switching network switch configurations at a frequency different than a frequency at which the switching configuration of the first and / or second control circuits is changed.
Außerdem können eine Reihe verschiedener Regelkreise für den ersten und/oder den zweiten Regelkreis verwendet werden. Diese schließen einen bidirektionalen Regelkreis, einen Mehrphasen-Regelkreis, einen geschalteten Stromrichter, einen Resonanz-Stromrichter, einen Abwärtswandler, einen Aufwärtswandler, einen Abwärts-/Aufwärtswandler, einen linearen Regler, einen buk-Stromrichter, einen Sperrwandler, einen Durchflusswandler, einen Halbbrückenwandler, einen Vollbrückenwandler, ein Magnetspeicherelement und ein Magnetfilter ein.In addition, a number of different control loops can be used for the first and / or second control loop. These include a bidirectional loop, a polyphase loop, a switched power converter, a resonant converter, a buck converter, a boost converter, a buck-boost converter, a linear regulator, a buck converter, a flyback converter, a forward converter, a half-bridge converter, a full bridge converter, a magnetic storage element and a magnetic filter.
Praktiken, die auf einem Sperrwandler beruhen, schließen solche ein, die auf einem quasiresonanten Sperrwandler, einem Active-Clamp-Sperrwandler, einem verschachtelten Sperrwandler oder einem Dualschalter-Sperrwandler beruhen. Praktiken, die auf einem Durchflusswandler beruhen, schließen solche ein, die auf einem Multiresonanz-Durchflusswandler, einem Active-Clamp-Durchflusswandler, einem verschachtelten Durchflusswandler oder einem Dualschalter-Durchflusswandler beruhen. Praktiken, die auf einem Halbbrückenwandler beruhen, schließen solche ein, die auf einem asymmetrischen Halbbrückenwandler, einem Multiresonanz-Halbbrückenwandler oder einem LLC-Resonanz-Halbbrückenwandler beruhen.Practices that rely on a flyback converter include those based on a quasi-resonant flyback converter, an active-clamp flyback converter, a nested flyback converter, or a dual-switch flyback converter. Flow converter based practices include those based on a multi-resonant forward converter, an active-clamp forward converter, a nested forward converter, or a dual-switch forward converter. Practices based on a half-bridge converter include those based on an asymmetric half-bridge converter, a multi-resonance half-bridge converter, or an LLC resonance half-bridge converter.
In einem anderen Aspekt weist die Erfindung als Merkmal ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium auf, in dem eine Datenstruktur gespeichert ist, mit der ein Programm arbeitet, das auf einem Computersystem ausführbar ist. Wenn ein solches Programm mit ihr arbeitet, bewirkt die Datenstruktur zumindest einen Abschnitt eines Prozesses zur Herstellung einer integrierten Schaltung. Diese integrierte Schaltung schließt Schaltungsanordnungen ein, die von der Datenstruktur beschrieben werden. Eine solche Schaltungsanordnung schließt ein Schaltnetz ein, das zur Verwendung mit einem Stromrichter konfiguriert wurde, der einen Pfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten Stromrichteranschluss und einem zweiten Stromrichteranschluss aufweist. Während des Stromrichterbetriebs des Stromrichters wird der erste Stromrichteranschluss bei einer ersten Spannung gehalten, und der zweite Stromrichteranschluss wird bei einer zweiten Spannung gehalten, die niedriger ist als die erste Spannung. Der Stromrichter schließt einen ersten Regelkreis und das oben genannte Schaltnetz ein, die beide auf dem Pfad angeordnet sind. Das Schaltnetz schließt Schalter und einen ersten und einen zweiten Schaltnetzanschluss ein. Indessen schließt der erste Regelkreis ein erstes Magnetspeicherelement und einen ersten Regelkreisanschluss ein. Der Strompfad schließt den ersten Regelkreisanschluss, den ersten Schaltnetzanschluss und den zweiten Schaltnetzanschluss ein. Der erste Regelkreisanschluss ist mit dem ersten Schaltnetzanschluss zu verbinden, und das Schaltnetz ist so konfiguriert, dass es zwischen einer ersten und einer zweiten Schalterkonfiguration wechselt. Wenn das Schaltnetz die erste Schalterkonfiguration einnimmt, wird das erste Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate aufgeladen. Wenn das Schaltnetz die zweite Konfiguration einnimmt, wird das erste Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate entladen. Das erste Magnetspeicherelement beschränkt diese Raten.In another aspect, the invention features a non-transitory computer-readable medium in which is stored a data structure with which a program executable on a computer system operates. When operating such a program, the data structure effects at least a portion of an integrated circuit fabrication process. This integrated circuit includes circuitry described by the data structure. Such Circuitry includes a switching network configured for use with a power converter having a path for current flow between a first power converter terminal and a second power converter terminal. During power converter operation of the power converter, the first power converter terminal is held at a first voltage, and the second power converter terminal is maintained at a second voltage lower than the first voltage. The power converter includes a first control circuit and the aforementioned switching network, both of which are arranged on the path. The switching network includes switches and a first and a second switching power supply. Meanwhile, the first control circuit includes a first magnetic storage element and a first control circuit terminal. The rung includes the first loop terminal, the first switch mode terminal, and the second switch mode terminal. The first loop terminal is to be connected to the first switched mode terminal, and the switching network is configured to switch between a first and a second switch configuration. When the switching network assumes the first switch configuration, the first charge storage element is charged at a first rate. When the switching network assumes the second configuration, the first charge storage element is discharged at a second rate. The first magnetic storage element limits these rates.
Die Erfindung schließt außerdem eine Schaltungsanordnung ein, die von der oben genannten Datenstruktur beschrieben wird. Eine solche Schaltungsanordnung schließt ein Schaltnetz ein, das einen ersten und einen zweiten Schaltanschluss aufweist und dafür konfiguriert ist, zusammen mit einem ersten und einem zweiten Regelkreis, von denen mindestens einer ein Magnetspeicherelement einschließt, auf einem Stromflusspfad zwischen einem ersten und einem zweiten Stromrichteranschluss eines Stromrichters angeordnet zu werden, wobei dessen erster und dessen zweiter Stromrichteranschluss bei einer entsprechenden ersten bzw. zweiten Spannung gehalten werden, wobei die zweite Spannung niedriger ist als die erste Spannung. Das Schaltnetz ist dafür konfiguriert, zwischen Schaltkonfigurationen zu wechseln, während denen sich jeweils eine Ladungsmenge in einem Ladungsspeicherelement im Stromrichter mit einer Rate ändert, die vom Magnetspeicherelement beschränkt wird. Der Strompfad schließt einen ersten Regelkreisanschluss ein, der mit dem ersten Regelkreis assoziiert ist und mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden wird.The invention also includes a circuit arrangement described by the above-mentioned data structure. Such circuitry includes a switching network having first and second switching terminals and configured to, along with first and second control loops, at least one of which includes a magnetic storage element, on a current flow path between first and second power converter terminals of a power converter with its first and second power converter terminals being held at a respective first and second voltage, respectively, the second voltage being lower than the first voltage. The switching network is configured to switch between switching configurations during which a respective amount of charge in a charge storage element in the power converter changes at a rate that is limited by the magnetic storage element. The current path includes a first loop terminal associated with the first loop and connected to the first switch mode terminal.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Figuren ersichtlich werden, in denen:These and other features of the invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which:
BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF THE FIGURES
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Hierin beschriebene Ausführungsformen beruhen zumindest zum Teil auf der Erkenntnis, dass in einem mehrstufigen Gleichstromrichter die verschiedenen Bestandteile im Wesentlichen modular gestaltet werden können und auf verschiedene Weise gemischt und kombiniert werden können. Diese Bestandteile schließen Schaltnetze und Regelkreise ein, wobei letztere einfach durch Variieren des Tastzyklus dazu gebracht werden können, entweder als Regler oder als Magnetfilter zu fungieren. Diese Modularität vereinfacht den Zusammenbau solcher Stromrichter. Somit stellt die in
Es werden zwei grundlegende Elemente in Verbindung mit den folgenden Ausführungsformen beschrieben: Schaltnetze
Zusätzliche Ausführungsformen ziehen ferner die Anwendung objektorientierter Programmierungskonzepte für den Entwurf von Gleichstromrichtern in Betracht, durch die eine „Instanziierung” von Schaltnetzen
In vielen Ausführungsformen wird das Schaltnetz
Während des Betriebs werden die Ladungsspeicherelemente in einem Netz mit geschalteten Ladungsspeichern periodisch auf- und entladen. Wie hierin verwendet, bedeutet ein adiabatisches Ändern der Ladung an einem Kondensator, dass eine Änderung einer in dem Kondensator gespeicherten Ladungsmenge durch Leiten der Ladung durch ein nichtkapazitives Element bewirkt wird. Eine positive adiabatische Ladungsänderung an dem Kondensator wird als adiabatisches Laden betrachtet, während eine negative adiabatische Ladungsänderung als adiabatisches Entladen betrachtet wird. Beispiele für nicht-kapazitive Elemente schließen Induktoren, Magnetspeicherelemente, beispielsweise Magnetfilter, Widerstände und Kombinationen davon ein.During operation, the charge storage elements in a grid of switched charge storage devices are periodically charged and discharged. As used herein, adiabatic changing the charge on a capacitor means causing a change in the amount of charge stored in the capacitor by directing the charge through a non-capacitive element. A positive adiabatic charge change on the capacitor is considered to be adiabatic charging while a negative adiabatic charge change is considered to be adiabatic discharge. Examples of non-capacitive elements include inductors, magnetic storage elements, such as magnetic filters, resistors, and combinations thereof.
In manchen Fällen kann ein Kondensator für einen Teil einer Zeit adiabatisch und für die übrige Zeit adiabatisch geladen werden. Solche Kondensatoren werden als adiabatisch geladen betrachtet. Ebenso kann ein Kondensator in manchen Fällen für einen Teil der Zeit adiabatisch und für die übrige Zeit adiabatisch entladen werden. Solche Kondensatoren werden als adiabatisch entladen betrachtet.In some cases, a capacitor may be charged adiabatically for part of a time and adiabatically for the remainder of the time. Such capacitors are considered to be adiabatically charged. Likewise, in some cases a capacitor may be charged adiabatically for part of the time and adiabatic for the remainder of the time. Such capacitors are considered to be discharged adiabatically.
Ein adiabatisches Laden schließt ein Laden ein, das niemals adiabatisch ist, und ein adiabatisches Entladen schließt ein Entladen ein, das niemals adiabatisch ist.An adiabatic store includes a store that is never adiabatic, and adiabatic unloading involves unloading that is never adiabatic.
Wie hierin verwendet, ist ein adiabatisch geladenes Schaltnetz ein Schaltnetz
Die Instanz des Regelkreises
Andere geeignete Regelkreise
In einer Ausführungsform, die in
Eine Ausführungsform wie die in
In einer anderen Ausführungsform, die in
Eine Ausführungsform wie sie in
Es wird nun Bezug genommen auf
In manchen Ausführungsformen kann das Schaltnetz
Die in
In einer noch anderen Ausführungsform, die in
Zusätzliche Flexibilität kann dadurch erlangt werden, dass man Komponenten koppelt, die sich in voneinander verschiedenen Modulen befinden. Zum Beispiel wurde in
Ein Gleichstromrichter mit geschalteten Kondensatoren (switched capacitors, SC) schließt ein Netz aus Schaltern und Kondensatoren ein. Dadurch, dass man das Netz unter Verwendung dieser Schalter periodisch unterschiedliche topologische Zustände durchlaufen Isst, kann man Energie von einem Eingang zu einem Ausgang des SC-Netzes übertragen. Manche Stromrichter, die sogenannten „Ladungspumpen” können verwendet werden, um hohe Spannungen in einem FLASH und anderen umprogrammierbaren Speichern zu erzeugen.A switched capacitor (SC) DC converter includes a network of switches and capacitors. By having the network periodically pass through different topological states using these switches, one can transmit energy from an input to an output of the SC network. Some converters, called "charge pumps", can be used to generate high voltages in a FLASH and other reprogrammable memories.
Der Energieverlust, der bewirkt wird, während der Kondensator geladen wird, kann durch Berechnen der im Widerstand R verbrauchten Energie gefunden werden, wie folgt: The energy loss caused while charging the capacitor can be found by calculating the energy consumed in the resistor R, as follows:
Die Gleichung kann weiter vereinfacht werden durch Einsetzen des Ausdrucks für ic(t) aus der Gleichung (1.2) in die Gleichung (1.3). Die Auswertung des Integrals ergibt dann
Wenn die Transienten dann feste Werte annehmen (d. h. t → ∞), ist der Gesamtenergieverlust, der beim Laden des Kondensators bewirkt wird, unabhängig von dessen Widerstand R. In diesem Fall ist die Höhe des Energieverlustes gleich
Ein Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren kann als idealer Transformator modelliert werden, wie in
Die Ausgangsspannung des Stromrichters mit geschalteten Kondensatoren wird angegeben durch The output voltage of the converter with switched capacitors is indicated by
Es gibt zwei Grenzfälle, wo der Betrieb von Stromrichtern mit geschalteten Kondensatoren vereinfacht werden kann und Ro leicht gefunden werden kann. Diese werden als „Langsamschaltgrenze” und „Schnellschaltgrenze” bezeichnet.There are two extreme cases where the operation of converters can be simplified with switched capacitors and R o can be easily found. These are referred to as the "slow down limit" and "high speed limit".
An der Schnellschaltgrenze (τ >> Tsw) sind die Lade- und Entladeströme ungefähr konstant, was zu einer dreieckigen Wechselstromwelligkeit an den Kondensatoren führt. Somit ist Ro empfindlich gegenüber dem Reihenwiderstand der MOSFETs und Kondensatoren, ist aber keine Funktion der Betriebsfrequenz. In diesem Fall ist Ro des Kondensators, der an der Schnellschaltgrenze arbeitet, eine Funktion eines parasitischen Widerstands.At the high speed limit (τ >> T sw ), the charge and discharge currents are approximately constant, resulting in a triangular AC ripple on the capacitors. Thus, R o is sensitive to the series resistance of the MOSFETs and capacitors, but is not a function of the operating frequency. In this case, R o of the capacitor operating at the fast cut limit is a function of a parasitic resistance.
An der Langsamschaltgrenze ist die Schaltperiode Tsw viel länger als die RC-Zeitkonstante τ der Energieübertragungskondensatoren. Unter diesen Bedingungen findet ein systemischer Energieverlust unabhängig vom Widerstand der Kondensatoren und Schalter statt. Dieser systemische Energieverlust entsteht teilweise deswegen, weil der Effektivwert (root mean square, RMS) des Lade- und Entladestroms eine Funktion der RC-Zeitkonstante ist. Wenn der effektive Widertand Reff des Ladepfads verringert wird (d. h. verringerter RC), wird der RMS-Strom stärker und es kommt dazu, dass der Gesamtenergieverlust beim Laden (Eloss = IRMS 2Reff = 1/2C × ΔVC2) unabhängig ist von Reff. Eine Lösung, diesen Energieverlust zu minimieren, besteht darin, die Größe der Pumpkondensatoren in dem Schaltkondensatornetz zu erhöhen.At the slow down limit, the switching period T sw is much longer than the RC time constant τ of the power transfer capacitors. Under these conditions, systemic energy loss occurs regardless of the resistance of the capacitors and switches. This systemic energy loss arises in part because the root mean square (RMS) of the charging and discharging current is a function of the RC time constant. When the effective resistance R eff of the charging path is decreased (ie, decreased RC), the RMS current becomes stronger and the total energy loss on charging (E loss = I RMS 2 R eff = 1 / 2C × ΔV C2 ) is independent is from R eff . One solution to minimize this energy loss is to increase the size of the pumping capacitors in the switched capacitor network.
Es ist günstig, wenn ein Schaltkondensatornetz eine gemeinsame Masse, ein großes Transformationsverhältnis, eine geringe Schalterbelastung, eine niedrige Kondensatorgleichspannung und einen geringen Ausgangswiderstand aufweist. Zu diesen besser geeigneten Topologien gehören: Leiter, Dickson, seriell-parallel, Fibonacci und Doppler.It is favorable if a switched-capacitor network has a common ground, a high transformation ratio, a low switch load, a low DC capacitor voltage and a low output resistance. These more suitable topologies include: ladder, Dickson, serial-parallel, Fibonacci, and Doppler.
Ein geeigneter Kondensator ist ein seriell-paralleler Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren.
Andere geeignete Topologien sind Kaskadenvervielfachertopologien, wie in
Es dauert n Taktzyklen, bis die Anfangsladung den Ausgang erreicht. Die Ladung am letzten Pumpkondensator ist n-mal größer als die Ladung am ersten Pumpkondensator, und somit ist V2 für die Stromrichter in beiden Pumpkonfigurationen V1 + (n – 1) × vpump. It takes n clock cycles until the initial charge reaches the output. The charge on the last pump capacitor is n times greater than the charge on the first pump capacitor, and thus V 2 for the power converters in both pump configurations is V 1 + (n - 1) × v pump .
Obwohl die oben genannten Topologien für das Hochsetzen einer Spannung geeignet sind, können sie auch verwendet werden, um eine Spannung tiefzusetzen, indem die Stellen, wo sich die Quelle und der Verbraucher befinden, getauscht werden. In solchen Fällen können die Dioden durch gesteuerte Schalter, beispielsweise MOSFETs und BJTs, ersetzt werden.Although the above topologies are suitable for boosting a voltage, they can also be used to lower a voltage by swapping the locations where the source and the consumer are located. In such cases, the diodes may be replaced by controlled switches such as MOSFETs and BJTs.
Die oben genannten Kaskadenvervielfacher sind Halbwellenvervielfacher, in denen eine Ladung nur während einer Phase des Taktsignals übertragen wird. Dies bewirkt einen unterbrochenen Eingangsstrom. Beide von diesen Kaskadenvervielfacher können durch Parallelschalten von zwei Halbwellenvervielfachern und durch Betreiben der Halbwellenvervielfacher mit einem Phasenversatz von 180 Grad in Vollwellenvervielfacher umgewandelt werden.
Die Grundbausteine der modularen Architektur, die in
Ein vorteilhaftes Merkmal des Regelkreises ist die Beschränkung des Effektivwert(RMS)-Stroms durch die Kondensatoren im Schaltnetz auf solche Weise, dass er unter einem gewissen Grenzwert bleibt. Ein Regelkreis erreicht eine solche Beschränkung unter Verwendung von entweder resistiven oder Magnetspeicherelementen. Leider würden resistive Elemente Leistung verbrauchen, daher ist ihre Verwendung weniger günstig. Daher beruhen hierin beschriebene Ausführungsformen auf einem Magnetspeicherelement mit optionalen Schaltern im Regelkreis. Der Regelkreis beschränkt den RMS-Strom dadurch, dass er den Kondensatorstrom durch das Magnetspeicherelement in dem Regelkreis zwingt, wo ein durchschnittlicher Gleichstrom vorliegt. In diesen Regelkreisen, die Schalter einschließen, werden die Schalter so betätigt, dass sie einen durchschnittlichen Gleichstrom über dem gesamten Magnetspeicherelement aufrechterhalten. Dies kann durch Variieren des Tastzyklus eines Schalters in Reihe mit dem Magnetspeicherelement erreicht werden. In einer Ausführungsform nähert sich der Tastzyklus null, so dass mindestens ein Schalter effektiv immer eingeschaltet ist. In dem Grenzfall kann mindestens ein Schalter ganz weggelassen werden.An advantageous feature of the control loop is the limitation of the RMS current through the capacitors in the switching network in such a way that it remains below a certain limit. A loop achieves such a limitation using either resistive or magnetic memory elements. Unfortunately, resistive elements would consume power, so their use is less favorable. Therefore, embodiments described herein are based on a magnetic memory element with optional switches in the loop. The loop restricts the RMS current by forcing the capacitor current through the magnetic memory element in the loop where there is an average DC current. In these control circuits, which include switches, the switches are actuated to maintain an average DC current across the entire magnetic storage element. This can be achieved by varying the duty cycle of a switch in series with the magnetic storage element. In one embodiment, the duty cycle approaches zero, so that at least one switch is effectively always on. In the limiting case, at least one switch can be omitted altogether.
Der Regelkreis kann sowohl den RMS-Ladestrom als auch den RMS-Entladestrom von mindestens einem Kondensator im Schaltnetz begrenzen. Ein einziger Regelkreis kann den Strom in das oder aus dem Schaltnetz durch Absinken lassen und/oder Ansteigen lassen des Stroms regulieren. Daher gibt es vier grundlegende Konfigurationen, die in
Eine Ausführungsform beruht zumindest zum Teil auf einem adiabatischen Laden von Vollwellen-Kaskadenvervielfachern. Ein wegen seiner überlegenden Schnellschaltgrenzenimpedanz, der Einfachheit, mit der seine Spannung erhöht werden kann, und seiner geringen Schalterbelastung besonders bevorzugtes Schaltnetz ist der Kaskadenvervielfacher.One embodiment is based, at least in part, on adiabatic charging of full wave cascade multipliers. A particularly preferred switching network because of its superior fast switching limit impedance, the ease with which its voltage can be increased, and its low switch load is the cascade multiplier.
In Kaskadenvervielfachern werden die Kopplungskondensatoren typischerweise mit einer getakteten Spannungsquelle gepumpt. Wenn die Kopplungskondensatoren stattdessen mit einer getakteten Stromquelle gepumpt werden, kann jedoch der RMS-Lade- und Entladestrom im Kopplungskondensator begrenzt werden. In diesem Fall werden die Kondensatoren zumindest zum Teil adiabatisch geladen, wodurch der Verlust von 1/2C × ΔVc2, der mit einem Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren assoziiert ist, wenn dieser an der Langsamschaltgrenze betrieben wird, verringert oder gar eliminiert wird. Dies hat die Wirkung, dass die Ausgangsimpedanz auf die Schnellschaltgrenzenimpedanz gesenkt wird. Wie von der schwarzgepunkteren Linie in
Wenn alles andere gleich ist, kann ein adiabatisch geladener Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren bei einer viel niedrigeren Schaltfrequenz als ein herkömmlich geladener Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren, aber mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten. Umgekehrt kann ein adiabatisch geladener Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren bei der gleichen Frequenz und mit dem gleichen Wirkungsgrad arbeiten wie ein herkömmlich geladener Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren, aber mit viel kleineren, beispielsweise zwischen vier- und zehnmal kleineren Kopplungskondensatoren.If all else is equal, an adiabatically charged switched capacitor power converter can operate at a much lower switching frequency than a conventionally charged switched capacitor power converter, but with a higher efficiency. Conversely, an adiabatically charged switched capacitor power converter can operate at the same frequency and efficiency as a conventionally charged switched capacitor power converter, but with much smaller, for example, four to ten times smaller coupling capacitors.
Im Betrieb werden durch die Aktion des Schließens der Schalter mit der Benennung „1” die Kondensatoren C4, C5 und C6 geladen, während die Kondensatoren C1, C2 und C3 entladen werden. Entsprechend hat die Aktion des Schließens von Schaltern mit der Benennung „2” die komplementäre Wirkung. Der erste topologische Zustand (Phase A) ist in
In dieser Ausführungsform begrenzt der Regelkreis
In
Im Betrieb fließen unterschiedliche Strommengen durch unterschiedliche Schalter. Daher ist es nützlich, die Schalter auf solche Weise zu bemessen, dass sie für die Ströme geeignet sind, die durch sie hindurchfließen werden. Zum Beispiel transportieren in
Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass eine kapazitiver Verlust zunimmt, wenn der Flächeninhalt eines Schalters zunimmt. Somit ist die Abstimmung des Flächeninhalts des Schalters auf den Strom, der während eines Betriebs darüber transportiert wird, ein zweifacher Vorteil. Dadurch wird nicht nur die Gesamtgröße der Grundfläche des Stromkreises verringert, sondern dadurch wird vorteilhafterweise auch die Wirkung einer Verringerung eines kapazitiven Verlustes erzielt.An additional advantage is that a capacitive loss increases as the area of a switch increases. Thus, matching the surface area of the switch to the current carried over it during operation is a twofold advantage. As a result, not only the total size of the base of the circuit is reduced, but also advantageously the effect of reducing a capacitive loss is achieved.
Die in
Leider werden durch die Verwendung des Widerstands der Schalter zur Beschränkung des RMS-Stroms resistive Leistungsverluste größer und der allgemeine Wirkungsgrad wird geringer. Der Regelkreis
Die modulare Architektur mit den in
In manchen Stromrichtern mit geschalteten Kondensatoren nimmt die Zahl der Kondensatoren und Schalter linear mit dem Transformationsverhältnis zu. Somit ist eine große Anzahl von Kondensatoren und Schaltern nötig, wenn das Transformationsverhältnis groß ist. Alternativ dazu kann ein großes Transformationsverhältnis durch Verbinden zahlreicher Niedrigverstärkerstufen in Reihe erreicht werden, wie in
Der Hauptvorteil der gestapelten Reihenkonfiguration besteht darin, dass die Spannungsbelastungen an den vorderen Stufen viel höher sind als die an den hinteren Stufen. Dies erfordert normalerweise Stufen mit unterschiedlichen Nennspannungen und Größen. Jedoch kann das Transformationsverhältnis durch Umgehen einer oder mehrerer Stufen leicht geändert werden.The main advantage of the stacked row configuration is that the stress levels at the front stages are much higher than those at the rear stages. This usually requires stages with different rated voltages and sizes. However, the transformation ratio can be easily changed by bypassing one or more stages.
Ein adiabatisches Laden eines vorangehenden in Reihe geschalteten Schaltnetzes findet nur statt, wenn das folgende Schaltnetz den Lade- und den Entladestrom der vorangehenden Stufe steuert. Somit ist es bevorzugt, Vollwellenwandler mit geschalteten Kondensatoren in den vorderen Stufen zu verwenden oder Stufen mit geschalteten Kondensatoren zu verwenden, beispielsweise die seriell-parallelen Einzelphasenwandler mit geschalteten Kondensatoren.Adiabatic charging of a preceding series-connected switching network occurs only when the following switching network controls the charging and discharging currents of the preceding stage. Thus, it is preferable to use full-wave converters with switched capacitors in the front stages or to use stages with switched capacitors, for example the switched capacitor series-parallel single-phase converters.
Der Stromrichter sorgt insgesamt für eine Tiefsetzung von 32:1, wenn man davon ausgeht, dass der erste Regelkreis
Die modulare Architektur mit den Grundbausteinen, die in
In
Zusätzlich zu der Invertierungsfunktion, die von den Schaltern 7 und 8 bereitgestellt wird, können die Schalter 1A–1E und die Schalter 2A–2E selektiv geöffnet und geschlossen werden, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, um folgende drei voneinander verschiedene Umwandlungsraten bereitzustellen: 1/3, 1/2 und 1.In addition to the inversion function provided by
TABELLE 1 TABLE 1
Das Wechselspannungsschaltnetz
Die meisten Leistungsversorgungseinrichtungen, die mit einer Steckdose verbunden werden, erfüllen eine bestimmte Leistungsfaktorspezifikation. Der Leistungsfaktor ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 1, die ein Verhältnis der wirklich fließenden Leistung zur Scheinleistung definiert. Ein üblicher Weg, den Oberschwingungsstrom zu steuern und somit den Leistungsfaktor zu verstärken, besteht darin, einen aktiven Leistungsfaktorkorrektor zu verwenden, wie in
Im Betrieb sind Schalter, die mit „1” und „2” benannt sind, immer in komplementären Zuständen. Somit sind in einem ersten Schaltungszustand alle mit „1” benannten Schalter geöffnet und alle mit „2” benannten Schalter geschlossen. In einem zweiten Schaltungszustand sind alle mit „1” benannten Schalter geschlossen und alle mit „2” benannten Schalter geöffnet. Ebenso sind mit „3” und „4” benannte Schalter in komplementären Zuständen, sind mit „5” und „6” benannte Schalter in komplementären Zuständen und sind mit „7” und „8” benannte Schalter in komplementären Zuständen. Typischerweise arbeiten die Regelkreise bei höheren Schaltfrequenzen als die Schaltnetze. Es bestehen jedoch keine Anforderungen in Bezug auf die Schaltfrequenzen zwischen und unter den Schaltnetzen und Regelkreisen.In operation, switches labeled "1" and "2" are always in complementary states. Thus, in a first circuit state, all switches labeled "1" are open and all switches labeled "2" are closed. In a second circuit state, all switches labeled "1" are closed and all switches labeled "2" are open. Likewise, switches labeled "3" and "4" are in complementary states, switches labeled "5" and "6" are in complementary states, and switches labeled "7" and "8" are in complementary states. Typically, the control circuits operate at higher switching frequencies than the switching networks. However, there are no requirements with respect to the switching frequencies between and among the switching networks and control circuits.
Man beachte, dass die Topologie des Regelkreises jede Art von Stromrichter sein kann, der in der Lage ist, die Ausgangsspannung zu regeln, was unter anderem synchrone Abwärtswandler, synchrone Abwärtswandler mit drei Ebenen, SEPIC, Magnetfilter und weich geschaltete oder Resonanzumrichter einschließt. Ebenso können die Schaltnetze mit einer Reihe verschiedener Topologien mit geschalteten Kondensatoren verwirklicht werden, je nach der gewünschten Spannungstransformation und der zulässigen Schalterspannung.Note that the topology of the loop may be any type of power converter capable of regulating the output voltage including, but not limited to, synchronous buck converters, three-level synchronous buck converters, SEPIC, magnetic filters and soft-switched or resonant inverters. Likewise, the switching networks can be realized with a number of different topologies with switched capacitors, depending on the desired voltage transformation and the permissible switch voltage.
In manchen Implementierungen schließt ein für Computer zugängliches Speichermedium eine Datenbank ein, die einen oder mehrere Komponenten des Stromrichters darstellt. Zum Beispiel kann die Datenbank Daten enthalten, die ein Schaltnetz darstellen, das optimiert worden ist, um einen verlustarmen Betrieb einer Ladepumpe zu begünstigen.In some implementations, a computer-accessible storage medium includes a database that represents one or more components of the power converter. For example, the database may contain data representing a switching network that has been optimized to favor low-loss operation of a charge pump.
Allgemein gesagt kann ein für Computer zugängliches Speichermedium jedes nichtflüchtige Speichermedium ein, das während des Gebrauchs für einen Computer zugänglich ist, um an den Computer Befehle und/oder Daten auszugeben. Zum Beispiel kann ein für Computer zugängliches Speichermedium Speichermedien wie Magnetplatten oder optische Platten und Halbleiterspeicher einschließen.Generally speaking, a computer-accessible storage medium may include any non-volatile storage medium accessible to a computer during use for issuing commands and / or data to the computer. For example, a computer-accessible storage medium may include storage media such as magnetic disks or optical disks and semiconductor memories.
Im Allgemeinen kann eine Datenbank, die das System darstellt, eine Datenbank oder andere Datenstruktur sein, die von einem Programm gelesen werden und direkt oder indirekt verwendet werden kann, um die Hardware herzustellen, aus der das System besteht. Zum Beispiel kann eine Datenbank eine Beschreibung auf Verhaltensebene oder eine Beschreibung auf Register-Transfer-Ebene (RTL) der Hardware-Funktionen in einer High-Level-Design-Sprache (HDL) wie Verilog oder VHDL sein. Die Beschreibung kann von einem Synthesewerkzeug gelesen werden, das die Beschreibung erstellen kann, um aus einer Synthesebibliothek eine Netzliste zu erzeugen, die eine Liste von Gattern umfasst. Die Netzliste umfasst einen Satz von Gattern, die auch die Funktionen der Hardware darstellen, aus der das System besteht. Die Netzliste kann dann so platziert und gelenkt werden, dass sie einen Datensatz erzeugt, der geometrische Formen beschreibt, die auf eine Maske anzuwenden sind. Die Maske kann dann in verschiedenen Halbeiterfertigungsschritten verwendet werden, um eine oder mehrere Halbleiterschaltungen zu erzeugen, die dem System entsprechen. Alternativ kann die Datenbank in anderen Beispielen selbst die Netzliste (mit oder ohne die Synthesebibliothek) oder der Datensatz sein.In general, a database representing the system may be a database or other data structure that can be read by a program and used directly or indirectly to fabricate the hardware that makes up the system. For example, a database may be a behavioral description or a register-transfer-level (RTL) description of the hardware functions in a high-level design language (HDL) such as Verilog or VHDL. The description may be read by a synthesis tool that can construct the description to generate from a synthesis library a netlist comprising a list of gates. The netlist includes a set of gates that also represent the functions of the hardware that makes up the system. The netlist can then be placed and steered to produce a dataset describing geometric shapes to be applied to a mask. The mask may then be used in various semiconductor processing steps to produce one or more semiconductor circuits that conform to the system. Alternatively, in other examples, the database itself may be the netlist (with or without the synthesis library) or the record.
Nachdem eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, wird es für den Durchschnittsfachmann deutlich geworden sein, dass auch andere Ausführungsformen, die diese Schaltungen, Techniken und Konzepte aufweisen, verwendet werden können. Somit wird beantragt, dass der Bereich des Patentes nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt wird, sondern vielmehr nur vom Gedanken und Bereich der beigefügten Ansprüche beschränkt werden soll.Having described one or more preferred embodiments, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that other embodiments having these circuits, techniques, and concepts may be utilized. Thus, it is requested that the scope of the patent not be limited to the described embodiments, but rather be limited only by the spirit and scope of the appended claims.
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