DE112016001188T5 - Construction of flexible power converters with control loops and switching networks - Google Patents

Construction of flexible power converters with control loops and switching networks Download PDF

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DE112016001188T5
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David Giuliano
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PSemi Corp
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Peregrine Semiconductor Corp
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07Conversion 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

1A einen Gleichstromrichter mit einem separaten Regelkreis und einem Schaltnetz zeigt; 1A shows a DC converter with a separate control circuit and a switching network;

1B eine bidirektionale Version von 1A zeigt; 1B a bidirectional version of 1A shows;

24 Gleichstromrichter mit alternativen Konfigurationen der Regelkreise und Schaltnetze zeigen; 2 - 4 DC converters with alternative configurations of the control circuits and switching networks show;

5 eine bestimmte Implementierung des in 4 dargestellten Stromrichters zeigt; 5 a particular implementation of the in 4 shown power converter shows;

6A und 6B Ausführungsformen mit mehreren Regelkreisen zeigen; 6A and 6B Show embodiments with multiple control loops;

7 eine RC-Schaltung zeigt; 7 shows an RC circuit;

8 ein Modell eines Gleichstromrichters mit geschalteten Kondensatoren zeigt; 8th shows a model of a DC converter with switched capacitors;

9A und 9B einen seriell-parallelen SC-Stromrichter zeigen, der in einer Aufladungsphase bzw. einer Entladungsphase arbeitet; 9A and 9B show a serial-parallel SC converter operating in a charging phase or a discharge phase;

10 einen seriellen gepumpten symmetrischen Kaskadenvervielfacher mit Dioden zeigt; 10 shows a serial pumped symmetrical cascade multiplier with diodes;

11 einen parallelen gepumpten symmetrischen Kaskadenvervielfacher mit Dioden zeigt; 11 shows a parallel pumped symmetrical cascade multiplier with diodes;

12 Ladungspumpensignale zeigt; 12 Charge pump signals;

13 einen symmetrischen seriellen gepumpten Zweiphasen-Kaskadenvervielfacher mit Schaltern zeigt; 13 shows a symmetrical serial pumped two-phase cascade multiplier with switches;

14 einen symmetrischen parallelen gepumpten Zweiphasen-Kaskadenvervielfacher mit Schaltern zeigt; 14 shows a symmetrical parallel pumped two-phase cascade multiplier with switches;

15 vier unterschiedliche Kaskadenvervielfacher zusammen mit entsprechenden Halbwellenversionen zeigt; 15 shows four different cascade multipliers along with corresponding half-wave versions;

16 eine Ausgangsimpedanz eines Stromrichters mit geschalteten Kondensatoren als Funktion einer Frequenz zeigt; 16 shows an output impedance of a switched capacitor power converter as a function of frequency;

17 eine bestimmte Implementierung des in 1B dargestellten Gleichstromrichters mit einem adiabatisch geladenen Vollwellen-Schaltnetz zeigt; 17 a particular implementation of the in 1B shown DC rectifier with an adiabatically charged full-wave switching network;

18 den in 17 dargestellten Gleichstromrichter während Phase A zeigt; 18 the in 17 illustrated DC rectifier during phase A shows;

19 den in 17 dargestellten Gleichstromrichter während Phase B zeigt; 19 the in 17 illustrated DC rectifier during phase B shows;

20 verschiedene Wellenformen zeigt, die mit einem 4:1 adiabatisch geladenen Stromrichter assoziiert sind; 20 shows different waveforms associated with a 4: 1 adiabatically charged power converter;

21 ein adiabatisches Laden von seriell verbundenen Stufen zeigt; 21 shows adiabatic loading of serially connected stages;

22 eine bestimmte Implementierung des in 21 dargestellten Stromrichters zeigt; 22 a particular implementation of the in 21 shown power converter shows;

23 eine Wechselspannung zeigt, die unter Verwendung einer rekonfigurierbaren Stufe mit geschalteten Kondensatoren gleichgerichtet wird; 23 shows an AC voltage rectified using a reconfigurable stage with switched capacitors;

24 eine Architektur eines Wechselstrom-Gleichstromumrichters zeigt; 24 shows an architecture of an AC-DC converter;

25 eine bestimmte Implementierung des in 24 dargestellten Wechselstrom-Gleichstromumrichters zeigt; 25 a particular implementation of the in 24 shown AC-DC converter shows;

26 den in 25 dargestellten Wechselstrom-Gleichstromumrichter während des positiven Abschnitts des Wechselspannungszyklus zeigt; 26 the in 25 shown AC-DC converter during the positive portion of the AC cycle;

27 den in 25 dargestellten Wechselstrom-Gleichstromumrichter während des negativen Abschnitts des Wechselspannungszyklus zeigt; 27 the in 25 shown AC-DC converter during the negative portion of the AC cycle;

28 eine Wechselstrom-Gleichstromumrichterarchitektur mit Leistungsfaktorkorrektur zeigt; 28 shows an AC-DC converter architecture with power factor correction;

29 und 30 bestimmte Implementierungen des in 1A1B dargestellten Gleichstromrichters zeigt; 29 and 30 certain implementations of the in 1A - 1B illustrated DC rectifier shows;

31 und 32 bestimmte Implementierungen des in 3 dargestellten Gleichstromrichters zeigen; 31 and 32 certain implementations of the in 3 show the illustrated DC converter;

33 und 34 spezielle Implementierungen des in 2 dargestellten Gleichstromrichters zeigen; 33 and 34 special implementations of the in 2 show the illustrated DC converter;

35 und 36 spezielle Implementierungen des in 4 dargestellten Gleichstromrichters zeigen; und 35 and 36 special implementations of the in 4 show the illustrated DC converter; and

37 eine Implementierung eines Gleichstromrichters, der dem in 6B gezeigten ähnlich ist, zeigt. 37 an implementation of a DC converter, which corresponds to the in 6B is similar, shown.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

1A zeigt einen Stromrichter 10 mit einem Schaltnetz 12A, das an einem Eingangsende mit einer Spannungsquelle 14 verbunden ist. Ein Eingang eines Regelkreises 16A ist dann mit einem Ausgang des Schaltnetzes 12A verbunden. Ein Verbraucher 18A ist dann mit einem Ausgang des Regelkreises 16A verbunden. Strom fließt zwischen der Stromquelle 14 und dem Verbraucher 18A in der von den Pfeilen angezeigten Richtung. 1A shows a power converter 10 with a switching network 12A connected to an input end with a voltage source 14 connected is. An input of a control loop 16A is then with an output of the switching network 12A connected. A consumer 18A is then with an output of the control loop 16A connected. Electricity flows between the power source 14 and the consumer 18A in the direction indicated by the arrows.

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 1A gezeigte Konfiguration nur eine von mehreren Möglichkeiten dar, wie mindestens ein Schaltnetz 12A mit mindestens einem Regelkreis 16A konfiguriert werden kann. 1B zeigt eine bidirektionale Version von 1A, wo Strom entlang eines Stromflusspfads entweder von einer Spannungsquelle 14 zu einem Verbraucher 18A oder vom Verbraucher 18A zur Spannungsquelle 14 fließen kann, wie von den Pfeilen angegeben. Embodiments described herein are based, at least in part, on the insight that in a multi-stage DC converter, the various components may be made substantially modular and may be mixed and combined in various ways. These components include switching networks and control circuits, the latter simply being made to operate as either a regulator or a magnetic filter by varying the duty cycle. This modularity simplifies the assembly of such power converters. Thus, the in 1A configuration shown is just one of several options, such as at least one switching network 12A with at least one control loop 16A can be configured. 1B shows a bidirectional version of 1A where current flows along a current flow path either from a voltage source 14 to a consumer 18A or by the consumer 18A to the voltage source 14 can flow as indicated by the arrows.

Es werden zwei grundlegende Elemente in Verbindung mit den folgenden Ausführungsformen beschrieben: Schaltnetze 12A, 12B und Regelkreise 16A, 16B. Geht man davon aus, dass in Reihe verbundene Elemente des gleichen Typs kombiniert werden, gibt es insgesamt vier Grundbausteine. Diese sind in 1A4 gezeigt. Die hierin offenbarten Ausführungsformen beinhalten mindestens einen von den vier Grundbausteinen, die in 1A4 gezeigt sind. Komplexere Stromrichter können durch Kombinieren der grundlegenden Bausteine verwirklicht werden. Im Allgemeinen steuert und koordiniert eine Steuereinrichtung, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, den Betrieb des gesamten Systems.Two basic elements will be described in connection with the following embodiments: Switching networks 12A . 12B and control circuits 16A . 16B , Assuming that connected in series elements of the same type are combined, there are four basic building blocks. These are in 1A - 4 shown. The embodiments disclosed herein include at least one of the four basic building blocks disclosed in U.S. Pat 1A - 4 are shown. More complex power converters can be realized by combining the basic building blocks. In general, a controller, which is not shown for clarity, controls and coordinates the operation of the entire system.

Zusätzliche Ausführungsformen ziehen ferner die Anwendung objektorientierter Programmierungskonzepte für den Entwurf von Gleichstromrichtern in Betracht, durch die eine „Instanziierung” von Schaltnetzen 12A, 12B und von Regelkreisen 16A, 16B auf unterschiedlichen Wegen möglich wird, solange ihre Eingänge und Ausgänge weiterhin auf eine Weise zusammenpassen, welche die modulare Zusammensetzung von Gleichstromrichtern mit unterschiedlichen Eigenschaften erleichtert.Additional embodiments further contemplate the application of object-oriented programming concepts for the design of DC converters, through which "instantiation" of switching networks 12A . 12B and of control circuits 16A . 16B in different ways as long as its inputs and outputs continue to match in a manner that facilitates the modular composition of DC converters having different characteristics.

In vielen Ausführungsformen wird das Schaltnetz 12A als Instanz aus einem geschalteten Ladungsspeichernetz aus Ladungsspeicherelementen, beispielsweise Kondensatoren, geschaffen. Zu den besser geeigneten Topologien dieser Art von Netzen gehören: Ketten, Dickson, seriell-parallel, Fibonacci und Doppler, die alle adiabatisch geladen und als Mehrphasennetze konfiguriert werden können Ein Netz mit geschalteten Ladungsspeichern wird auch als Schaltkondensatornetz bezeichnet, wenn die Ladungsspeicherelemente Kondensatoren sind. Ein besonders gut geeignetes Schaltkondensatornetz ist eine adiabatisch geladene Version eines Vollwellen-Kaskadenvervielfachers. Jedoch können auch adiabatisch geladene Versionen verwendet werden.In many embodiments, the switching network 12A as an instance of a switched charge storage network of charge storage elements, for example capacitors. More suitable topologies of this type of networks include: chains, Dickson, serial-parallel, Fibonacci, and Doppler, all of which can be adiabatically charged and configured as polyphase networks. A switched charge storage network is also referred to as a switched capacitor network when the charge storage elements are capacitors. A particularly well-suited switched capacitor network is an adiabatically charged version of a full wave cascade multiplier. However, adiabatically charged versions can also be used.

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 12A mit mindestens einem Kondensator, der sowohl adiabatisch geladen als auch adiabatisch entladen wird. Ein adiabatisch geladenes Schaltnetz ist ein Schaltnetz 12A, das kein adiabatisch geladenes Schaltnetz ist.As used herein, an adiabatically charged switching network is a switching network 12A with at least one capacitor which is discharged both adiabatically charged and adiabatically. An adiabatically charged switching network is a switching network 12A which is not an adiabatically charged switching network.

Die Instanz des Regelkreises 16A kann durch eine Schaltungsanordnung geschaffen werden, die eine Rolle dabei spielt, die elektrischen Eigenschaften des Systems irgendwie auf irgendeine günstige Weise zu beschränken. Zum Beispiel könnte eine solche Schaltung die Eigenschaft, auf irgendeinen Wert oder einen Bereich von Werten beschränken, oder sie auf eine Änderung mit einer bestimmten Rate beschränken, oder sie auf eine Änderung in einer bestimmten Richtung beschränken. Ein übliches Beispiel wäre ein Regler, der eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom auf einen bestimmten Wert oder einen bestimmten Bereich von Werten beschränkt. Ein Abwärtswandler, der mit einer geeigneten Rückkopplungsschleife kombiniert ist, wäre wegen seiner hohen Effizienz und Geschwindigkeit ein attraktiver Kandidat für eine solche Rolle. Ein solcher Stromrichter empfiehlt sich auch wegen seiner Fähigkeit, nahtlos von einer Beschränkung einer Ausgangsspannung auf irgendeinen gewünschten Wert durch Anpassung seines Tastzyklus auf eine Beschränkung einer Ladungsübertragungsrate innerhalb eines Schaltnetzes 12A innerhalb eines gewünschten Bereichs überzugehen und so effektiv als Magnetfilter zu fungieren.The instance of the control loop 16A can be provided by a circuit arrangement which plays a role in somehow limiting the electrical characteristics of the system in any convenient way. For example, such a circuit could limit the property to any value or range of values, or limit it to a change at a particular rate, or limit it to a change in a particular direction. A common example would be a regulator that an output voltage or current limited to a particular value or range of values. A buck converter combined with a suitable feedback loop would be an attractive candidate for such a role because of its high efficiency and speed. Such a power converter is also recommended for its ability to be seamless from limiting an output voltage to any desired value by adapting its duty cycle to a limitation on a charge transfer rate within a switching network 12A to transition within a desired range and thus function effectively as a magnetic filter.

Andere geeignete Regelkreise 16A schließen Aufwärtswandler, Aufwärts-/Abwärtswandler, Sperrwandler, Durchflusswandler, Halbbrückenwandler, Vollbrückenwandler, buk-Stromrichter, Resonanzumrichter und lineare Regler ein. Der Sperrwandler kann ein quasiresonanter Sperrwandler, ein Active-Clamp-Sperrwandler, ein verschachtelter Sperrwandler oder einen Dualschalter-Sperrwandler sein. Ebenso kann der Durchflusswandler ein Multiresonanz-Durchflusswandler, ein Active-Clamp-Durchflusswandler, ein verschachtelter Durchflusswandler oder ein Dualschalter-Durchflusswandler sein. Der Halbbrückenwandler kann ein asymmetrischer Halbbrückenwandler, ein Multiresonanz-Halbbrückenwandler oder ein LLC-Resonanz-Halbbrückenwandler sein.Other suitable control circuits 16A Include boost converters, boost / buck converters, flyback converters, forward transformers, half-bridge converters, full bridge converters, buk converters, resonant converters, and linear regulators. The flyback converter may be a quasi-resonant flyback converter, an active-clamp flyback converter, a nested flyback converter or a dual-switch flyback converter. Likewise, the flow transducer may be a multi-resonance flow transducer, an active-clamp flow transducer, a nested flow transducer, or a dual-switch flow transducer. The half-bridge converter may be an asymmetrical half-bridge converter, a multi-resonance half-bridge converter or an LLC resonance half-bridge converter.

In einer Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, stellt eine Spannungsquelle 14 eine Eingabe für ein erstes Schaltnetz 12A bereit, das als Instanz von einem Schaltkondensatornetz gebildet wird. Die Ausgabe des ersten Schaltnetzes 12A ist eine Spannung, die niedriger ist als die Eingangsspannung, die an einem Regelungskreis 16A (z. B. einen Abwärts-, einen Aufwärts- oder einen Abwärts-/Aufwärtswandler) bereitgestellt wird. Dieser Regelkreis 16A stellt eine regulierte Eingangsspannung an einem zweiten Schaltnetz 12B, beispielsweise einem anderen Schaltkondensatornetz, bereit. Dann wird eine Hochspannungsausgabe dieses zweiten Schaltnetzes 12B an einen Verbraucher 18A angelegt.In one embodiment, in 2 is shown represents a voltage source 14 an input for a first switching network 12A prepared as an instance of a switched capacitor network. The output of the first switching network 12A is a voltage that is lower than the input voltage connected to a control circuit 16A (eg, a down, an up, or a down / up converter). This control loop 16A provides a regulated input voltage to a second switching network 12B , for example, another switched-capacitor network. Then, a high voltage output of this second switching network 12B to a consumer 18A created.

Eine Ausführungsform wie die in 2 gezeigte kann so konfiguriert sein, dass sie abhängig von der Richtung des Energieflusses entlang des Stromflusspfads den Verbraucher 18A reguliert oder die Spannungsquelle 14 reguliert.An embodiment like the one in 2 can be configured to load the load depending on the direction of energy flow along the current flow path 18A regulates or the voltage source 14 regulated.

In einer anderen Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, wird eine Niederspannungsquelle 14 mit einem Eingang eines Regelkreises 16A verbunden, dessen Ausgabe an einem Eingang eines Schaltnetzes 12A bereitgestellt wird, um sie auf einen höheren Gleichspannungswert verstärken zu lassen. Die Ausgabe des Schaltnetzes wird dann an einem Verbraucher 18A bereitgestellt.In another embodiment, in 3 is shown, becomes a low voltage source 14 with an input of a control loop 16A whose output is connected to an input of a switching network 12A is provided to make it amplify to a higher DC value. The output of the switching network is then sent to a consumer 18A provided.

Eine Ausführungsform wie sie in 3 gezeigt ist, kann verwendet werden, um abhängig von der Richtung des Energieflusses entlang des Stromflusspfads die Spannungsquelle 14 oder den Verbraucher 18A zu regulieren.An embodiment like that in 3 can be used to determine the voltage source depending on the direction of the energy flow along the current flow path 14 or the consumer 18A to regulate.

Es wird nun Bezug genommen auf 4, wo eine andere Ausführungsform eines Stromrichters 100 gezeigt ist, der einen ersten, mit seinem Eingang 102 verbundenen Regelkreis 16A und einen zweiten, mit seinem Ausgang 104 verbundenen Regelkreis 16B einschließt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Regelkreis 16A, 16B liegt ein Schaltnetz 12A, das einen Eingang 202 und einen Ausgang 204 aufweist. Das Schaltnetz 12A schließt Ladungsspeicherelemente 210 ein, die durch Schalter 212 untereinander verbunden sind. Diese Ladungsspeicherelemente 210 sind in eine erste und eine zweite Gruppe 206, 208 geteilt. Wie oben erörtert, kann jeder von den Regelkreisen 16A, 16B ein Abwärtswandler, der entweder so konfiguriert sein kann, dass er eine Spannung regelt, oder so, dass er als Magnetfilter fungiert, ein Aufwärtswandler, ein Abwärts-/Aufwärtswandler, ein Sperrwandler, ein buk-Stromrichter, ein Resonanzumrichter oder ein linearer Regler sein. Die Regelkreise 16A, 16B können bei einem Tastzyklus betrieben werden, der nötig ist, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Zum Beispiel kann im Falle eines Abwärtswandlers der Tastzyklus so angepasst werden, dass der Hauptschalter des Abwärtswandlers eine unendlich verlängerte Verbindung mit seinem Magnetspeicherelement aufrechterhält, während der ihn begleitende synchrone Wechselstrom-Gleichstromumrichter unendlich offenbleibt. Alternativ dazu kann einer von den beiden Regelkreisen 16A, 16B durch ein Magnetfilter ersetzt werden, wodurch die Notwendigkeit für zusätzliche Schalter entfällt. Ein solches Magnetfilter schließt ein Magnetspeicherelement, beispielsweise einen Induktor, ein, der raschen Änderungen des Stroms Widerstand bietet und somit ein adiabatisches Laden im Schaltnetz 12A begünstigt.It will now be referred to 4 where another embodiment of a power converter 100 shown is the first, with its entrance 102 connected control loop 16A and a second, with its output 104 connected control loop 16B includes. Between the first and the second control loop 16A . 16B is a switching network 12A that has an entrance 202 and an exit 204 having. The switching network 12A includes charge storage elements 210 one by switch 212 are interconnected. These charge storage elements 210 are in a first and a second group 206 . 208 divided. As discussed above, each of the control loops 16A . 16B a down converter, which may be either configured to regulate a voltage or to act as a magnetic filter, a boost converter, a buck-boost converter, a flyback converter, a buk converter, a resonant converter or a linear regulator. The control circuits 16A . 16B can be operated at a duty cycle necessary to achieve a desired result. For example, in the case of a buck converter, the duty cycle may be adjusted so that the main switch of the buck converter maintains an infinitely extended connection with its magnetic storage element while the synchronous AC-DC converter accompanying it remains indefinitely open. Alternatively, one of the two control circuits 16A . 16B be replaced by a magnetic filter, eliminating the need for additional switch. Such a magnetic filter includes a magnetic storage element, such as an inductor, which provides resistance to rapid changes in current and thus adiabatic charging in the switching network 12A favored.

In manchen Ausführungsformen kann das Schaltnetz 12A ein bidirektionales Schaltkondensatornetz sein, wie es in 5 gezeigt ist. Das Schaltkondensatornetz in 5 weist als Merkmal einen ersten Kondensator 20 und einen dazu parallelen zweiten Kondensator 22 auf. Ein erster Schalter 24 verbindet selektiv den ersten oder den zweiten Kondensator 20, 22 mit einem ersten Regelkreis 16A, und ein zweiter Schalter 26 verbindet selektiv den ersten oder den zweiten Kondensator 20, 22 mit einem zweiten Regelkreis 16B. Wie die Regler, die in 4 gezeigt sind, können der erste und der zweite Regelkreis 16A, 16B bei variablen Tastzyklen betrieben werden. Alternativ dazu kann einer von den Regelkreisen 16A, 16B durch ein Magnetfilter ersetzt werden, das einen Induktor aufweist, der raschen Änderungen des Stroms Widerstand bietet und somit ein adiabatisches Laden von Kondensatoren innerhalb des Schaltnetzes 12A begünstigt. Sowohl der erste als auch der zweite Schalter 24, 26 können mit hoher Frequenz betätigt werden, wodurch das adiabatische Laden und Entladen des ersten und des zweiten Kondensators 20, 22, erleichtert wird.In some embodiments, the switching network 12A be a bidirectional switched capacitor network as it is in 5 is shown. The switched capacitor network in 5 has as a feature a first capacitor 20 and a parallel second capacitor 22 on. A first switch 24 selectively connects the first or the second capacitor 20 . 22 with a first control loop 16A , and a second switch 26 selectively connects the first or the second capacitor 20 . 22 with a second control loop 16B , Like the knobs that are in 4 can be shown, the first and second control loop 16A . 16B be operated with variable duty cycle. Alternatively, one of the control circuits 16A . 16B be replaced by a magnetic filter having an inductor, which offers rapid changes in the current resistance and thus an adiabatic charging of capacitors within the switching network 12A favored. Both the first and the second switch 24 . 26 can be operated at high frequency, allowing the adiabatic charging and discharging of the first and second capacitors 20 . 22 , is relieved.

Die in 5 gezeigte spezifische Ausführungsform weist ein Zweiphasen-Schaltnetz 12A auf. Jedoch können stattdessen auch andere Arten von Schaltnetzen 12A verwendet werden.In the 5 shown specific embodiment has a two-phase switching network 12A on. However, other types of switching networks may be used instead 12A be used.

In einer noch anderen Ausführungsform, die in 6A gezeigt ist, sind ein erster, ein zweiter und ein dritter Regelkreis 16A, 16B, 16C, die in eine oder mehrere separate Leistungsverwaltungs-ICs eingebaut sein könnten, an einem Ausgang eines ersten Schaltnetzes 12A bereitgestellt, um einen ersten, einen zweiten und einen dritten Verbraucher 18A, 18B, 18C anzusteuern. Für den dritten Verbraucher 18C ist ein zweites Schaltnetz 12B zwischen dem dritten Verbraucher 18C und dem dritten Regelkreis 16C bereitgestellt, wodurch ein Pfad erzeugt wird, der dem in 2 gezeigten ähnlich ist. Somit stellt 6A ein Beispiel dafür bereit, wie die modulare Konstruktion von Regelkreisen und Schaltnetzen die Fähigkeit zum Mischen und Kombinieren von Komponenten erleichtert, um für Flexibilität bei der Konstruktion von Gleichstromrichtern zu sorgen.In yet another embodiment, the in 6A are shown are a first, a second and a third control loop 16A . 16B . 16C which may be incorporated in one or more separate power management ICs at an output of a first switching network 12A provided to a first, a second and a third consumer 18A . 18B . 18C head for. For the third consumer 18C is a second switching network 12B between the third consumer 18C and the third control loop 16C providing a path similar to that in 2 is similar. Thus presents 6A an example of how the modular construction of control loops and switching networks facilitates the ability to mix and combine components to provide flexibility in the design of DC converters.

Zusätzliche Flexibilität kann dadurch erlangt werden, dass man Komponenten koppelt, die sich in voneinander verschiedenen Modulen befinden. Zum Beispiel wurde in 6B die in 6A gezeigte Konfiguration umgekehrt: der erste, der zweite und der dritte Regelkreis 16A, 16B, 16C in 6A wurden in 6B durch ein erstes, ein zweites und ein drittes Schaltnetz 12A, 12B, 12C ersetzt; und das erste und das zweite Schaltnetz 12A, 12B in 6A wurden in 6B durch einen vierten und einen dritten Regelkreis 16D, 16C ersetzt. Jedoch wurden der erste und der zweite Verbraucher 18A, 18B in 6A zusammenfasst zu einem ersten Verbraucher 18A und einem ersten und einem zweiten Regelkreis 16A, 16B in Form von Magnetfiltern, die hinzugefügt wurden, um eine Ladungsübertragung innerhalb des ersten und des zweiten Schaltnetzes 12A, 12B zu beschränken. Der erste und der zweite Regelkreis 16A, 16B werden von Abwärtswandlern mit geeignet ausgewählten Tastzyklen implementiert. In 6B weisen der erste und der zweite Regelkreis 16A, 16B jeweils einen Induktor mit ein und demselben Kern auf, die daher miteinander verkoppelt sind. Dies bietet eine Möglichkeit, Platz in der Grundfläche des Stromkreises als Ganzes einzusparen.Additional flexibility can be achieved by coupling components that are located in mutually different modules. For example, was in 6B in the 6A the configuration shown in reverse: the first, the second and the third control loop 16A . 16B . 16C in 6A were in 6B through a first, a second and a third switching network 12A . 12B . 12C replaced; and the first and second switching networks 12A . 12B in 6A were in 6B through a fourth and a third control loop 16D . 16C replaced. However, the first and second consumers became 18A . 18B in 6A summarized to a first consumer 18A and a first and a second control loop 16A . 16B in the form of magnetic filters added to charge transfer within the first and second switching networks 12A . 12B to restrict. The first and the second control loop 16A . 16B are implemented by buck converters with appropriately selected duty cycles. In 6B have the first and the second control loop 16A . 16B each having an inductor with one and the same core, which are therefore coupled together. This provides a way to save space in the footprint of the circuit as a whole.

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.

7 zeigt einen Kondensator C, der zu Anfang auf irgendeinen Wert Vc(0) geladen ist. Bei t = 0 wird der Schalter S geschlossen. In diesem Augenblick fließt ein kurzer Stromstoß, während der Kondensator C auf seinen endgültigen Wert Vin aufgeladen wird. Die Ladungsrate kann von einer Zeitkonstante τ = RC beschrieben werden, die angibt, wie lange es dauert, bis die Spannung auf 1/e genau auf ihren endgültigen Wert steigt oder sinkt. Die genaue Spannung vc(t) und der genaue Strom ic (t) des Kondensators werden anhand der folgenden Gleichungen wiedergegeben: vc(t) = vc(0) + [Vin – vc(0)](1 – e–t/RC) (1.1) und

Figure DE112016001188T5_0002
7 shows a capacitor C initially charged to any value V c (0). At t = 0, the switch S is closed. At this moment, a short rush of current flows, while the capacitor C is charged to its final value V in . The charge rate can be described by a time constant τ = RC, which indicates how long it takes for the voltage to increase to or fall to its final value. The exact voltage v c (t) and the exact current i c (t) of the capacitor are given by the following equations: v c (t) = v c (0) + [V in -v c (0)] (1-e -t / RC ) (1.1) and
Figure DE112016001188T5_0002

Der Energieverlust, der bewirkt wird, während der Kondensator geladen wird, kann durch Berechnen der im Widerstand R verbrauchten Energie gefunden werden, wie folgt:

Figure DE112016001188T5_0003
The energy loss caused while charging the capacitor can be found by calculating the energy consumed in the resistor R, as follows:
Figure DE112016001188T5_0003

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 Eloss(t) = 1 / 2[Vin – vc(0)2C[1 – e–t/RC] The equation can be further simplified by substituting the expression for i c (t) from equation (1.2) into equation (1.3). The evaluation of the integral then yields E loss (t) = 1/2 [V in -v c (0) 2 C [1 -e -t / RC ]

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 Eloss(∞) = 1 / 2CΔv 2 / c. If the transients then assume fixed values (ie, t → ∞), the total energy loss caused when charging the capacitor is independent of its resistance R. In this case, the amount of energy loss is the same E loss (∞) = 1 / 2CΔv 2 / c.

Ein Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren kann als idealer Transformator modelliert werden, wie in 8 gezeigt, mit einem endlichen Ausgangswiderstand Ro, der den Leistungsverlust berücksichtigt, der beim Laden oder Entladen der Energieübertragungstransistoren verursacht wird, wie in 8 gezeigt. Dieser Verlust wird üblicherweise im EIN-Widerstand der MOSFETs und im äquivalenten Reihenwiderstand der Kondensatoren abgegeben.A converter with switched capacitors can be modeled as an ideal transformer, as in 8th shown with a finite output resistance R o , which takes into account the power loss caused when charging or discharging the power transfer transistors, as in 8th shown. This loss is usually delivered in the ON resistance of the MOSFETs and in the equivalent series resistance of the capacitors.

Die Ausgangsspannung des Stromrichters mit geschalteten Kondensatoren wird angegeben durch

Figure DE112016001188T5_0004
The output voltage of the converter with switched capacitors is indicated by
Figure DE112016001188T5_0004

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. 9A und 9B zeigen einen seriell-parallelen 2:1-Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren, der in einer Ladungsphase bzw. einer Entladungsphase arbeitet. Während der Ladungsphase sind die Kondensatoren in Reihe verbunden. In der Entladungsphase sind die Kondensatoren parallel. In der Ladungsphase addieren sich die Kondensatorspannungen vC1 und vC2 zu V1, während in der Entladungsphase vC1 und vC2 V2, ergeben, das heißt V2 = V1/2.A suitable capacitor is a series-parallel converter with switched capacitors. 9A and 9B show a series-parallel 2: 1 power converter with switched capacitors, which operates in a charge phase or a discharge phase. During the charge phase, the capacitors are connected in series. In the discharge phase, the capacitors are parallel. In the charge phase, the capacitor voltages v add C1 and C2 v to V 1, while in the discharge phase, v C1 and C2 v V 2, yield, that is, V 2 = V 1/2.

Andere geeignete Topologien sind Kaskadenvervielfachertopologien, wie in 10 und 11 gezeigt. In beiden Ladungspumpen liegt eine Quelle bei V1 und ein Verbraucher liegt bei V2. In diesen Arten von Ladungspumpen werden Ladungspakete entlang einer Diodenkette gepumpt, während die Kopplungskondensatoren hintereinander geladen und entladen werden. Wie in 12 gezeigt ist, sind Taktsignale νclk und

Figure DE112016001188T5_0005
mit einer Amplitude vpump um 180 Grad phasenversetzt. Die Kopplungskondensatoren können entweder in Reihe oder parallel gepumpt werden.Other suitable topologies are cascade multiplier topologies, as in 10 and 11 shown. In both charge pumps, one source is at V 1 and one consumer is at V 2 . In these types of charge pumps, charge packets are pumped along a chain of diodes while the coupling capacitors are charged and discharged one after the other. As in 12 are shown, clock signals ν clk and
Figure DE112016001188T5_0005
with an amplitude v pump 180 degrees out of phase. The coupling capacitors can be pumped either in series or in parallel.

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. 13 zeigt eine Version eines symmetrischen seriellen gepumpten Vollwellen-Kaskadenvervielfachers, während 14 eine Version eines symmetrischen parallelen gepumpten Vollwellenkaskadenvervielfachers zeigt. Anders als die Dioden im Halbvervielfacher sind die Schalter in 13 und 14 bidirektional. Infolgedessen kann in beiden von diesen Kaskadenvervielfachern Leistung entweder von der Quelle zum Verbraucher oder vom Verbraucher zur Quelle fließen. Asymmetrische Vervielfacher können ebenfalls in Vollwellenvervielfacher umgewandelt werden.The above cascade multipliers are half-wave multipliers in which charge is transferred only during one phase of the clock signal. This causes an interrupted input current. Both of these cascade multipliers can be converted to full wave multipliers by connecting two half-wave multipliers in parallel and by operating the half-wave multipliers with a 180 degree phase shift. 13 shows a version of a balanced serial pumped full wave cascade multiplier while 14 shows a version of a symmetrical parallel pumped full wave cascade multiplier. Unlike the diodes in the semi-multiplier, the switches are in 13 and 14 bidirectional. As a result, in both of these cascade multipliers, power may flow either from the source to the consumer or from the consumer to the source. Asymmetric multipliers can also be converted to full wave multipliers.

15 zeigt vier unterschiedliche Tiefsetzversionen von Vollwellenvervielfachern zusammen mit ihren entsprechenden Halbwellenversionen. Ferner ist es möglich, N parallele Phasen zu kombinieren und diese mit einem Phasenversatz von 180 Grad/N zu betreiben, um eine Welligkeit einer Ausgangsspannung zu verringern und um die Ausgabe besser beherrschen zu können. Die asymmetrischen Vervielfacher haben eine spezielle Eigenschaft: sie enthalten Gleichspannungsknoten, deren Spannungspegel Vielfache von V2 sind. Diese Gleichspannungsknoten können als Abzweigpunkte für die Zufuhr oder das Abziehen von Strom dienen. Sie stellen auch geeignete Stellen bereit, an denen auf V1 Bezug genommen werden kann. Dadurch kann man die Massen separieren. 15 shows four different down-conversion versions of full-wave multipliers along with their respective half-wave versions. Further, it is possible to combine N parallel phases and operate them with a phase shift of 180 degrees / N in order to reduce a ripple of an output voltage and to better control the output. The asymmetrical multipliers have a special property: they contain DC voltage nodes whose voltage levels are multiples of V 2 . These DC nodes can serve as branch points for the supply or the withdrawal of electricity. They also provide suitable locations where reference can be made to V 1 . This allows you to separate the masses.

Die Grundbausteine der modularen Architektur, die in 1A4 gezeigt sind, können entweder als unabhängige Einheiten oder als gekoppelte Einheiten verbunden werden In der Situation, wo Schaltnetze und Regelkreise eng gekoppelt sind, ist es möglich, den Mechanismus des systemischen Energieverlustes der Schaltnetze durch adiabatisches Laden zu verhindern und/oder zu verringern. Dies schließt allgemein die Nutzung des Regelkreises zur Steuerung des Ladens und Entladens der Kondensatoren im Schaltnetz ein. Ferner kann die Ausgangsspannung des Regelkreises und somit des gesamten Stromrichters als Reaktion auf externe Stimuli reguliert werden. Ein Ansatz für die Regelung der Ausgangsspannung besteht in der Regelung des durchschnittlichen Gleichstroms in einem Magnetspeicherelement, wie es in einem Magnetfilter vorkommt.The basic building blocks of the modular architecture, which in 1A - 4 can be connected either as independent units or as coupled units. In the situation where switching networks and control circuits are tightly coupled, it is possible to prevent and / or reduce the mechanism of systemic power loss of the switching networks through adiabatic charging. This generally includes the use of the control circuit to control the charging and discharging of the capacitors in the switching network. Furthermore, the output voltage of the control loop and thus of the entire power converter can be regulated in response to external stimuli. One approach to controlling the output voltage is to control the average DC current in a magnetic storage element as found in a magnetic filter.

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 1A4 gezeigt sind. Angenommen, Leistung fließt von der Quelle zum Verbraucher, dann kann in 1A der Regelkreis 16A sowohl den Lade- als auch den Entladestrom des Schaltnetzes 12A absinken lassen In 3 kann der Regelkreis 16A sowohl den Lade- als auch den Entladestrom des Schaltnetzes 12A ansteigen lassen. In 4 kann der Regelkreis 16A den Ladestrom des Schaltnetzes 12A ansteigen lassen, und der Regelkreis 16B kann den Entladestrom des gleichen Schaltnetzes 12A absinken lassen und umgekehrt. In 2 kann der Regelkreis 16A sowohl den Lade- als auch den Entladestrom des Schaltnetzes 12B ansteigen lassen, während er sowohl den Lade- als auch den Entladestrom des Schaltnetzes 12A auch absinken lassen kann. Wenn sowohl die Schaltnetze 12A, 12B als auch die Regelkreise 16A, 16B einen Stromfluss in beide Richtungen zulassen, dann ist ein bidirektionaler Stromfluss (von der Quelle zum Verbraucher und vom Verbraucher zur Quelle) möglich.The control loop can limit both the RMS charging current and the RMS discharge current of at least one capacitor in the switching network. A single loop can regulate the flow into or out of the switching network by lowering and / or allowing the current to rise. Therefore, there are four basic configurations in 1A - 4 are shown. Assuming power flows from the source to the consumer, then in 1A the control loop 16A both the charging and the discharge of the switching network 12A sink in 3 can the control loop 16A both the charging and the discharge of the switching network 12A rise. In 4 can the control loop 16A the charging current of the switching network 12A rise, and the control loop 16B can the discharge current of the same switching network 12A fall and vice versa. In 2 can the control loop 16A both the loading and the Discharge current of the switching network 12B increase, while both the charging and the discharge of the switching network 12A can also sink. If both the switching networks 12A . 12B as well as the control circuits 16A . 16B allow a flow of current in both directions, then a bidirectional current flow (from the source to the consumer and from the consumer to the source) is possible.

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

Figure DE112016001188T5_0006
gepumpt. Wenn die Kopplungskondensatoren stattdessen mit einer getakteten Stromquelle
Figure DE112016001188T5_0007
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 16 gezeigt wird, die einen adiabatischen Betrieb abbildet, würde bei einem vollständig adiabatischen Laden die Ausgangsimpedanz nicht länger eine Funktion der Schaltfrequenz sein.In cascade multipliers, the coupling capacitors typically become with a pulsed voltage source
Figure DE112016001188T5_0006
pumped. If the coupling capacitors instead use a clocked power source
Figure DE112016001188T5_0007
However, the RMS charge and discharge current in the coupling capacitor can be limited. In this case, the capacitors are at least partially adiabatically charged, thereby reducing or even eliminating the loss of 1 / 2C × ΔVc 2 associated with a switched capacitor power converter operating at the slow down limit. This has the effect of lowering the output impedance to the high-speed limit impedance. As from the black-dotted line in 16 In the case of fully adiabatic charging, the output impedance would no longer be a function of the switching frequency.

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.

17 zeigt einen Tiefsetzsteller, der mit der in 1B gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform wird das Schaltnetz 12A unter Verwendung des Regelkreises 16A adiabatisch geladen. Die getakteten Stromquellen

Figure DE112016001188T5_0008
werden durch vier Schalter und den Regelkreis 16A emuliert. Der Ausgangskondensator CO wurde ebenfalls entfernt, damit VX schwingen kann. In diesem Beispiel ist der Regelkreis 16A ein Aufwärtswandler, der sich wie eine konstante Quelle mit einer geringen Wechselstromwelligkeit verhält. Jeder Stromrichter, der bei der Betriebsfrequenz eine nicht-kapazitive Eingangsimpedanz aufweist, würde einen adiabatischen Betrieb zulassen. Auch wenn geschaltete Stromrichter wegen ihres hohen Wirkungsgrads attraktive Kandidaten sind, sind lineare Regler ebenfalls praktisch. 17 shows a buck converter that works with the in 1B architecture shown matches. In this embodiment, the switching network 12A using the control loop 16A adiabatically charged. The clocked power sources
Figure DE112016001188T5_0008
are through four switches and the control loop 16A emulated. The output capacitor C O was also removed to allow V X to vibrate. In this example, the loop is 16A an up-converter that behaves like a constant source with a low AC ripple. Any power converter that has a non-capacitive input impedance at the operating frequency would allow adiabatic operation. Although switched converters are attractive candidates for their high efficiency, linear regulators are also practical.

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 18 gezeigt, wo alle mit „1” benannten Schalter geschlossen sind und alle mit „2” benannten Schalter geöffnet sind. Entsprechend ist der zweite topologische Zustand (Phase B) in 19 gezeigt, wo alle mit „2” benannten Schalter geschlossen sind und alle mit „1” benannten Schalter geöffnet sind.In operation, by the action of closing the switches labeled "1", the capacitors C 4 , C 5 and C 6 are charged while the capacitors C 1 , C 2 and C 3 are discharged. Accordingly, the action of closing switches labeled "2" has the complementary effect. The first topological state (phase A) is in 18 shown where all switches labeled "1" are closed and all switches labeled "2" are open. Accordingly, the second topological state (phase B) is in 19 shown where all switches labeled "2" are closed and all switches labeled "1" are open.

In dieser Ausführungsform begrenzt der Regelkreis 16A den RMS-Lade- und Entladestrom jedes Kondensators. Zum Beispiel wird der Kondensator C3 während Phase A durch das Magnetfilterelement im Regelkreis 16A entladen, während der Kondensator C3 während Phase B durch das Magnetfilterelement im Regelkreis 16A geladen wird, was das adiabatische Konzept deutlich zeigt. Ferner werden alle aktiven Komponenten mit Schaltern implementiert, so dass der Stromrichter Leistung in beiden Richtungen verarbeiten kann.In this embodiment, the control circuit limits 16A the RMS charge and discharge current of each capacitor. For example, the capacitor C 3 during phase A through the magnetic filter element in the control loop 16A discharged while the capacitor C 3 during phase B through the magnetic filter element in the control loop 16A is loaded, which clearly shows the adiabatic concept. Furthermore, all active components are implemented with switches so that the power converter can process power in both directions.

In 20 sind einige wenige, als Beispiel dienende Spannungen und Ströme von Knoten gezeigt. Es besteht ein geringes Maß an Verzerrung der Anstiegs- und Abstiegsflanken der beiden dargestellten Ströme (IP1 und IP2), aber zum größten Teil ähneln die Ströme zwei Takten, die um 180 Grad phasenversetzt sind. Im Allgemeinen findet ein adiabatisches Laden in Kaskadenvervielfachern nur dann statt, wenn mindestens ein Ende eines Schalterstapels nicht mit einer großen Kapazität geladen ist, wie im Falle dieser Ausführungsform, wo der Knoten VX vom Regelkreis 16A nur abgeladen wird.In 20 For example, a few example voltages and streams of nodes are shown. There is a slight amount of distortion of the rising and falling edges of the two currents shown (I P1 and I P2 ), but for the most part the currents are similar to two cycles that are 180 degrees out of phase. In general, adiabatic charging takes place in cascade multipliers only when at least one end of a switch stack is not loaded with a large capacitance, as in the case of this embodiment, where node V X is from the loop 16A only unloaded.

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 17 die Schalter, die mit den bei VP1 und VP2 gehaltenen Knoten verbunden sind, mehr Strom als die anderen Schalter. Wenn man alle Schalter flächenmäßig gleich groß machen würde, würden die übrigen Schalter viel größer sein als nötig. Dadurch, dass die anderen Schalter kleiner gemacht werden als diejenigen, die mit den Knoten bei VP1 und VP2 verbunden sind, vermeidet man unnötig große Schalter. Da jeder Schalter einen Abschnitt des Stromkreises einnimmt, kann man den gesamten Stromkreis physisch verkleinern.During operation, different amounts of electricity flow through different switches. Therefore, it is useful to dimension the switches in such a way that they are suitable for the currents that will flow through them. For example, transport in 17 the switches that with the at V P1 and V P2 held nodes are connected, more power than the other switches. If all the switches were made equal in size, the remaining switches would be much larger than necessary. By making the other switches smaller than those connected to the nodes at V P1 and V P2 , one avoids unnecessarily large switches. Since each switch occupies a portion of the circuit, one can physically scale the entire circuit.

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 17 gezeigten Schalter wechseln bei einer bestimmten Schaltfrequenz ihre Zustände. Um einen Verlust zu verringern, ist es erstrebenswert, wenn das Schaltnetz 12A den RMS-Strom durch die Schalter bei dieser Schaltfrequenz beschränkt. Eine Möglichkeit, den RMS-Strom zu beschränken, ist die richtige Wahl der Widerstände der Schalter. Insbesondere sollten die Widerstände hoch genug sein, damit die RC-Zeitkonstante der Ladungsübertragung zwischen den Kondensatoren der Schaltfrequenz ähnlich ist oder länger ist als diese. Wie aus 16 ersichtlich ist, kann durch Steuern der Breite „W” der Schalter und somit ihres Widerstands und ihrer Größe das Schaltnetz 12A in die Schnellschaltgrenzregion gezwungen werden.In the 17 shown switch at a certain switching frequency their states. To reduce a loss, it is desirable if the switching network 12A limited the RMS current through the switch at this switching frequency. One way to limit the RMS current is to choose the resistors of the switches properly. In particular, the resistors should be high enough that the RC time constant of the charge transfer between the capacitors is similar or longer than the switching frequency. How out 16 can be seen, by controlling the width "W" of the switch and thus its resistance and its size, the switching network 12A forced into the quick-shift limit region.

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 16A ermöglicht jedoch die Verringerung des Widerstands der Schalter, während sie trotzdem noch adiabatisch arbeiten. Daher können die Schalter optimal für den höchsten Wirkungsgrad bemessen werden, ohne sich über Beschränkungen des RMS-Stroms Sorgen machen zu müssen, da dieser durch den Regelkreis 16A (oder optional ein Magnetfilter) gehandhabt wird. Die optimale Größe für jeden Schalter wird durch Abwägen der resistiven und kapazitiven Verluste in jedem Schalter bei einer bestimmten Schaltfrequenz und einem bestimmten Strom gewählt.Unfortunately, using the resistor of the RMS current limiting switches increases resistive power losses and reduces overall efficiency. The control loop 16A however, it allows reducing the resistance of the switches while still working adiabatically. Therefore, the switches can be optimally sized for the highest efficiency without having to worry about limitations of the RMS current, as this is due to the loop 16A (or optionally a magnetic filter) is handled. The optimum size for each switch is chosen by balancing the resistive and capacitive losses in each switch at a given switching frequency and current.

Die modulare Architektur mit den in 1A4 gezeigten Grundbausteinen kann erweitert werden, um einen größeren Bereich von Anwendungen abzudecken, beispielsweise für hohe Gleichspannung, Wechselspannung-zu-Gleichspannung, Abwärts-Aufwärts und mehrere Ausgangsspannungen. Jede dieser Anwendungen beinhaltet das Voneinander trennen der Transformations-, Regelungs- und möglicherweise der Magnetfilterfunktionen. Eine Erweiterung der Architektur kann auch adiabatisch geladene Stromrichter mit geschalteten Kondensatoren beinhalten.The modular architecture with the in 1A - 4 may be extended to cover a wider range of applications, such as high DC, AC to DC, DOWN to V, and multiple output voltages. Each of these applications involves the separation of the transform, control, and possibly magnetic filter functions. An extension of the architecture may also include adiabatically charged switched capacitor power converters.

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 21 dargestellt. Das Transformationsverhältnis des gesamten Schalterkondensatorstapels (Vin/Vx) ist wie folgt:

Figure DE112016001188T5_0009
In some converters with switched capacitors, the number of capacitors and switches increases linearly with the transformation ratio. Thus, a large number of capacitors and switches are necessary when the transformation ratio is large. Alternatively, a large transformation ratio can be achieved by connecting numerous low-gain stages in series, as in FIG 21 shown. The transformation ratio of the entire switched capacitor stack (V in / V x ) is as follows:
Figure DE112016001188T5_0009

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.

22 zeigt einen Stromrichter mit einem ersten Schaltnetz 12A, das in Reihe mit einem zweiten Schaltnetz 12D verbunden ist, das mit der in 21 gezeigten Architektur übereinstimmt. Sowohl das erste als auch das zweite Schaltnetz 12A, 12D sind Zweiphasen-Kaskadenvervielfacher. Im Betrieb sind Schalter, die mit „1” und „2” benannt sind, immer in komplementären Zuständen und sind Schalter, die mit „7” und „8” 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. In dieser Ausführungsform werden durch Schließen der Schalter 1 die Kondensatoren C1, C2, C3 geladen, während die Kondensatoren C4, C5, C6 entladen werden, und das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. Ebenso werden durch Schließen der Schalter 7 die Kondensatoren C7, C8, C9 geladen, während die Kondensatoren C10, C11, C12 entladen werden, und das Schließen der Schalter 8 hat den komplementären Effekt. 22 shows a power converter with a first switching network 12A connected in series with a second switching network 12D connected with the in 21 architecture shown matches. Both the first and the second switching network 12A . 12D are two-phase cascade multipliers. In operation are switches, which are labeled "1" and "2", always in complementary states and are switches labeled "7" and "8", 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. In this embodiment, by closing the switches 1, the capacitors C 1 , C 2 , C 3 are charged while the capacitors C 4 , C 5 , C 6 are discharged, and the closing of the switches 2 has the complementary effect. Also, by closing the switches 7, the capacitors C 7 , C 8 , C 9 are charged while the capacitors C 10 , C 11 , C 12 are discharged, and the closing of the switches 8 has the complementary effect.

Der Stromrichter sorgt insgesamt für eine Tiefsetzung von 32:1, wenn man davon ausgeht, dass der erste Regelkreis 16A ein Abwärtswandler mit einem nominellen Tiefsetzungsverhältnis von 2:1 ist. Wenn ferner die Eingangsspannung 32 V ist und die Ausgangsspannung 1 V ist, dann müssen die Schalter im ersten Schaltnetz 12A 8 Volt blockieren, während die Schalter im zweiten Schaltnetz 12D 2 Volt blockieren müssen.Overall, the power converter provides a 32: 1 lows, assuming that the first loop 16A is a buck converter with a nominal bucking ratio of 2: 1. Further, if the input voltage is 32 V and the output voltage is 1 V, then the switches in the first switching network 12A Block 8 volts while the switches in the second switching network 12D 2 volts must block.

Die modulare Architektur mit den Grundbausteinen, die in 1A4 gezeigt sind, kann so konfiguriert werden, dass auch eine Eingangswechselspannung bewältigt werden kann. Eines der Hauptattribute von Stromrichtern mit geschalteten Kondensatoren ist ihre Fähigkeit, durch Rekonfigurieren des Schaltkondensatornetzes über einem großen Eingabebereich effizient arbeiten zu können. Wenn man sich die Wand-Wechselspannung (d. h. 60 Hz & 120 VRMS) als sich langsam bewegende Gleichspannung denkt, dann sollte eine am vorderen Ende liegende Stufe 13A mit geschaltetem Kondensator, das sogenannte Wechselspannungsschaltnetz, in der Lage sein, die im Zeitverlauf variierende Eingangsspannung in eine relativ stabile Gleichspannung zu entfalten.The modular architecture with the basic building blocks in 1A - 4 can be configured so that an AC input voltage can be handled. One of the key attributes of switched capacitor power converters is their ability to efficiently operate over a large input range by reconfiguring the switched capacitor network. If you think of the wall AC voltage (ie 60 Hz & 120 V RMS ) as a slow-moving DC voltage, then you should have a stage at the front end 13A with switched capacitor, the so-called AC switching network, to be able to develop the varying over time input voltage into a relatively stable DC voltage.

In 23 ist eine Grafik einer Wellenform einer 120 VRMS-Wechselspannung über einem einzelnen 60 Hz-Zyklus gezeigt, über welche die unentfaltete Gleichspannung gelegt ist. Dem Wechselspannungsschaltnetz 13A stehen neben einer invertierenden Stufe unterschiedliche Konfigurationen (1/3, 1/2, 1/1) zur Verfügung. Es war auch dafür konzipiert, die Gleichspannung unter 60 V zu halten. Nachdem die Wechselspannung entfaltet worden ist, ist ein in 24 gezeigter Regelkreis 16A dafür zuständig, eine endgültige Ausgangsspannung zu erzeugen. Es kann auch nötig sein, ein anderes Schaltnetz zwischen dem Wechselspannungsschaltnetz 13A und dem Regelkreis 16A zu platzieren, um die Spannung weiter zu konditionieren. Wenn dies der Fall ist, bewahrheiten sich Vorbehalte gegenüber in Reihen verbundenen Stufen, da das Wechselspannungsschaltnetz 13A ein Schaltnetz für besondere Zwecke ist. Irgendeine Art von magnetischer oder elektrischer Isolierung ist in Wechselstrom-Gleichstromumrichtern aus Sicherheitsgründen ebenfalls üblich. Somit sind in 24 die Spannungen: VAC, VDC und VO absichtlich so definiert, dass eine gemeinsame Masse ignoriert wird.In 23 is shown over a single 60 Hz cycle over which the undeveloped DC voltage is applied a graph of a waveform of a 120 V RMS -Wechselspannung. The AC voltage switching network 13A In addition to an inverting stage, different configurations (1/3, 1/2, 1/1) are available. It was also designed to keep the DC voltage below 60V. After the AC voltage has been deployed, an in 24 shown control loop 16A responsible for generating a final output voltage. It may also be necessary, another switching network between the AC voltage switching network 13A and the control loop 16A to place in order to further condition the tension. If this is the case, there are reservations about rows connected in rows because of the AC switching network 13A a switching network for special purposes. Some kind of magnetic or electrical insulation is also common in AC DC converters for safety reasons. Thus, in 24 the voltages: V AC , V DC and V O intentionally defined so that a common ground is ignored.

25 zeigt einen Wechselstrom-Gleichstromumrichter, der mit der in 24 gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist das Wechselspannungsschaltnetz 13A ein synchroner Wechselspannungs-Brückengleichrichter, auf den ein rekonfigurierbarer Zweiphasen-Tiefsetz-Kaskadenvervielfacher mit drei voneinander verschiedenen Umwandlungsverhältnissen (1/3, 1/2, 1/1) folgt, während der Regelkreis 16A ein synchroner Abwärtswandler ist. Im Betrieb sind Schalter, die mit „7” und „8” benannt sind, immer in komplementären Zuständen. Während des positiven Abschnitts des Wechselstromzyklus (0 bis π rad) sind alle mit „7” benannten Schalter geschlossen, während alle mit „8” benannten Schalter geöffnet sind, wie in 26 gezeigt. Ebenso sind während des negativen Abschnitts des Wechselstromzyklus (π bis 2π rad) alle mit „8” benannten Schalter geschlossen, während alle mit „7” benannten Schalter geöffnet sind, wie in 27 gezeigt. 25 shows an AC to DC converter, with the in 24 architecture shown matches. In this embodiment, the AC voltage switching network 13A a synchronous AC bridge rectifier followed by a reconfigurable two-phase step-down cascade multiplier with three mutually different conversion ratios (1/3, 1/2, 1/1) during the loop 16A is a synchronous buck converter. In operation, switches labeled "7" and "8" are always in complementary states. During the positive portion of the AC cycle (0 to π radians), all switches labeled "7" are closed, while all switches labeled "8" are open, as in 26 shown. Similarly, during the negative portion of the AC cycle (π to 2π rad), all switches labeled "8" are closed, while all switches labeled "7" are open, as in 27 shown.

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 switches 7 and 8, switches 1A-1E and switches 2A-2E can be selectively opened and closed as shown in Table 1 to provide the following three different conversion rates: 1 / 3, 1/2 and 1.

TABELLE 1

Figure DE112016001188T5_0010
TABLE 1
Figure DE112016001188T5_0010

Das Wechselspannungsschaltnetz 13A ist mit einem digitalen Taktsignal CLK versehen. Es wird auch ein zweites Signal CLKB erzeugt, das einfach das Komplement von CLK sein kann (d. h. das hoch ist, wenn CLK niedrig ist und das niedrig ist, wenn CLK hoch ist) oder das als nichtüberlappendes Komplement erzeugt werden kann. Mit einem Schaltmuster, das gemäß der ersten Zeile von Tabelle 1 eingerichtet wird, sorgt das Wechselspannungsschaltnetz 13A für ein Tiefsetzungsverhältnis von eins zu drei (1/3). Mit einem Schaltmuster, das gemäß der zweiten Zeile von Tabelle 1 eingerichtet wird, sorgt das Wechselspannungsschaltnetz 13A für ein Tiefsetzungsverhältnis von eins zu zwei (1/2). Mit einem Schaltmuster, das gemäß der ersten Zeile von Tabelle 1 eingerichtet wird, sorgt das Wechselspannungsschaltnetz 13A für ein Tiefsetzungsverhältnis von eins. The AC voltage switching network 13A is provided with a digital clock signal CLK. Also, a second signal CLKB is generated, which may simply be the complement of CLK (ie high when CLK is low and which is low when CLK is high) or which may be generated as non-overlapping complement. With a switching pattern established according to the first row of Table 1, the AC switching network provides 13A for a down ratio of one to three (1/3). With a switching pattern, which is established according to the second row of Table 1, provides the AC voltage switching network 13A for a down ratio of one to two (1/2). With a switching pattern established according to the first row of Table 1, the AC switching network provides 13A for a down ratio of one.

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 28 gezeigt. Ein Leistungsfaktorkorrektorstromkreis 17A bewirkt, dass der Eingangsstrom mit der Leitungsspannung phasengleich ist, wodurch bewirkt wird, dass der reaktive Leistungsverbrauch null ist.Most power supplies connected to a power outlet meet a specific power factor specification. The power factor is a dimensionless number between 0 and 1, which defines a ratio of the really flowing power to the apparent power. A common way to control the harmonic current and thus increase the power factor is to use an active power factor corrector as in 28 shown. A power factor corrector circuit 17A causes the input current to be in phase with the line voltage, thereby causing the reactive power consumption to be zero.

2936 zeigt spezifische Implementierungen von Stromrichtern, die mit dem in 1A4 gezeigten Architekturdiagramm konform sind. In jeder Implementierung können ein Regelkreis oder mehrere Regelkreise, die Magnetfilter einschließen können, sowohl den RMS-Ladestrom als auch den RMS-Entladestrom von mindestens einem Kondensator in jedem Schaltnetz begrenzen, so dass all diese Schaltnetze adiabatisch geladene Schaltnetze sind. Wenn Entkopplungskondensatoren 9A oder 9B vorhanden sind, kann jedoch die Fähigkeit der Regelschaltung, den RMS-Lade- und Entladestrom zu begrenzen, beeinträchtigt sein. Die Kondensatoren 9A und 9B sind optional, und um die Ausgangsspannung einigermaßen konstant zu halten, wird ein Kondensator Co verwendet. Sämtliche Stufen teilen sich eine gemeinsame Masse. Dies muss jedoch nicht so sein. Wenn beispielsweise ein Regelkreis 16A als Sperrwandler implementiert wird, dann kann die Masse leicht abgetrennt werden. Auch ein Schaltnetz 12A kann aufgrund von kapazitiver Isolierung separate Massen aufweisen. Der Einfachheit halber weist ferner jedes Schaltnetz in jeder Implementierung ein einziges Umwandlungsverhältnis auf. Jedoch können stattdessen rekonfigurierbare Schaltnetze verwendet werden, die eine Leistungsumrichtung bei mehreren voneinander verschiedenen Umwandlungsverhältnissen ermöglichen. 29 - 36 shows specific implementations of power converters that comply with the in 1A - 4 shown architectural diagram are compliant. In any implementation, one or more closed loops, which may include magnetic filters, may limit both the RMS charging current and the RMS discharging current of at least one capacitor in each switching network, such that all of these switching networks are adiabatically charged switching networks. When decoupling capacitors 9A or 9B However, the ability of the control circuit to limit the RMS charging and discharging current may be impaired. The capacitors 9A and 9B are optional, and to keep the output voltage reasonably constant, a capacitor Co is used. All levels share a common mass. However, this does not have to be the case. For example, if a loop 16A As a flyback converter is implemented, then the mass can be easily separated. Also a switching network 12A may have separate masses due to capacitive isolation. For simplicity, each switching network also has a single conversion ratio in each implementation. However, reconfigurable switching networks may be used instead that allow for power conversion at several mutually different conversion ratios.

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.

29 zeigt einen Hochsetzsteller, welcher der in 1A gezeigten Architektur entspricht. In dieser Ausführungsform ist das Schaltnetz 12A ein Zweiphasen-Kaskadenvervielfacher mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:3, während der Regelkreis 16A ein Zweiphasen-Aufwärtswandler ist. Im Betrieb werden durch Schließen der Schalter 1 und Öffnen der Schalter 2 die Kondensatoren C3 und C4 geladen, während die Kondensatoren C1 und C2 entladen werden. Umgekehrt werden durch Öffnen der Schalter 1 und Schließen der Schalter 2 die Kondensatoren C1 und C2 geladen, während die Kondensatoren C3 und C4 entladen werden. 29 shows a boost converter, which in 1A shown architecture corresponds. In this embodiment, the switching network 12A a two-phase cascade multiplier with a conversion ratio of 1: 3, during the loop 16A is a two-phase boost converter. In operation, by closing the switches 1 and opening the switch 2, the capacitors C 3 and C 4 are charged, while the capacitors C 1 and C 2 are discharged. Conversely, by opening the switches 1 and closing the switches 2, the capacitors C 1 and C 2 are charged, while the capacitors C 3 and C 4 are discharged.

30 zeigt einen bidirektionalen Tiefsetzsteller, welcher der in 1B gezeigten Architektur entspricht. In dieser Ausführungsform ist das Schaltnetz 12A ein Zweiphasen-Tiefsetz-Kaskadenvervielfacher mit einem Umwandlungsverhältnis von 4:1, während der Regelkreis 16A ein synchroner Abwärtswandler ist. Im Betrieb werden durch Schließen der Schalter 1 und Öffnen der Schalter 2 die Kondensatoren C1, C2 und C3 geladen, während die Kondensatoren C4, C5 und Ca entladen werden. Umgekehrt werden durch Öffnen der Schalter 1 und Schließen der Schalter 2 die Kondensatoren C4, C5 und Ca geladen, während die Kondensatoren C1, C2 und C3 entladen werden. Alle aktiven Komponenten werden mit Schaltern implementiert, so dass der Stromrichter Leistung in beiden Richtungen verarbeiten kann. 30 shows a bidirectional buck converter, which the in 1B shown architecture corresponds. In this embodiment, the switching network 12A a two-phase step down cascade multiplier with a conversion ratio of 4: 1, during the loop 16A is a synchronous buck converter. In operation, by closing the switches 1 and opening the switch 2, the capacitors C 1 , C 2 and C 3 are charged, while the capacitors C 4 , C 5 and Ca are discharged. Conversely, by opening the switches 1 and closing the switches 2, the capacitors C 4 , C 5 and Ca are charged, while the capacitors C 1 , C 2 and C 3 are discharged. All active components are implemented with switches so that the power converter can process power in both directions.

31 zeigt einen Hochsetzsteller, der mit der in 3 gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist der Regelkreis 16A ein Aufwärtswandler, während das Schaltnetz 12A ein seriell-paralleler Zweiphasen-SC-Hochsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:2 ist. Im Betrieb wird durch Schließen der Schalter 1 ein Kondensator C2 geladen, während ein Kondensator C1 entladen wird. Das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. 31 shows a boost converter, with the in 3 architecture shown matches. In this embodiment, the control loop is 16A a boost converter while the switching network 12A is a serial-parallel two-phase SC step-up converter with a conversion ratio of 1: 2. In operation is through Close the switch 1, a capacitor C 2 is charged while a capacitor C 1 is discharged. The closing of the switch 2 has the complementary effect.

32 zeigt einen bidirektionalen Hoch-Tief-Stromrichter, der mit der in 3 gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist der Regelkreis 16A ein synchroner Abwärts-/Aufwärtswandler mit vier Schaltern, während das Schaltnetz 12A ein Zweiphasen-Hochsetz-Kaskadenvervielfacher mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:4 ist. Im Betrieb werden durch Schließen der Schalter 1 die Kondensatoren C4, C5 und Ca geladen, während die Kondensatoren C1, C2 und C3 entladen werden. Das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. Alle aktiven Komponenten werden mit Schaltern implementiert, so dass der Stromrichter Leistung in beiden Richtungen verarbeiten kann. 32 shows a bidirectional high-low power converter, with the in 3 architecture shown matches. In this embodiment, the control loop is 16A a synchronous buck-boost converter with four switches, while the switching network 12A is a two-phase boost cascade multiplier with a conversion ratio of 1: 4. In operation, by closing the switches 1, the capacitors C 4 , C 5 and Ca are charged, while the capacitors C 1 , C 2 and C 3 are discharged. The closing of the switch 2 has the complementary effect. All active components are implemented with switches so that the power converter can process power in both directions.

33 zeigt einen invertierenden Hoch-Tief-Stromrichter, der mit der in 2 gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist das erste Schaltnetz 12A ein seriell-paralleler SC-Tiefsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 2:1; der erste Regelkreis 16A ist ein Abwärts-/Aufwärtswandler und das zweite Schaltnetz 12B ist ein seriell-paralleler SC-Hochsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:2. Im Betrieb wird durch Schließen der Schalter 1 ein Kondensator C1 geladen, während durch Schließen der Schalter 2 der Kondensator C1 entladen wird. Ebenso wird durch Schließen der Schalter 7 ein Kondensator C2 entladen, während durch Schließen der Schalter 8 der Kondensator C2 geladen wird. 33 shows an inverting high-low power converter with the in 2 architecture shown matches. In this embodiment, the first switching network 12A a serial-parallel SC buck converter with a conversion ratio of 2: 1; the first control loop 16A is a buck-boost converter and the second switching network 12B is a serial-parallel SC boost converter with a conversion ratio of 1: 2. In operation, a capacitor C 1 is charged by closing the switch 1, while closing the switch 2, the capacitor C 1 is discharged. Similarly, by closing the switch 7, a capacitor C 2 is discharged, while closing the switch 8, the capacitor C 2 is charged.

34 zeigt einen bidirektionalen invertierenden Hoch-Tief-Stromrichter, der mit der in 2 gezeigten Architektur übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist das erste Schaltnetz 12A ein seriell-paralleler Zweiphasen-SC-Tiefsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 2:1; der erste Regelkreis 16A ist ein synchroner Abwärts-/Aufwärtswandler und das zweite Schaltnetz 12B ist ein seriell-paralleler Zweiphasen-SC-Hochsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:2. Im Betrieb wird durch Schließen der Schalter 1 ein Kondensator C1 geladen, während ein Kondensator C2 entladen wird. Das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. Ebenso wird durch Schließen der Schalter 7 ein Kondensator C4 geladen, während ein Kondensator C3 entladen wird. Das Schließen der Schalter 8 hat den komplementären Effekt. Alle aktiven Komponenten werden mit Schaltern implementiert, so dass der Stromrichter Leistung in beiden Richtungen verarbeiten kann. 34 shows a bidirectional inverting high-low power converter, with the in 2 architecture shown matches. In this embodiment, the first switching network 12A a serial-parallel two-phase SC buck converter with a conversion ratio of 2: 1; the first control loop 16A is a synchronous buck-boost converter and the second switching network 12B is a serial-parallel two-phase SC step-up converter with a conversion ratio of 1: 2. In operation, a capacitor C 1 is charged by closing the switches 1, while a capacitor C 2 is discharged. The closing of the switch 2 has the complementary effect. Similarly, closing the switches 7 charges a capacitor C 4 while discharging a capacitor C 3 . The closing of the switch 8 has the complementary effect. All active components are implemented with switches so that the power converter can process power in both directions.

35 zeigt einen Hoch-Tief-Stromrichter, der mit dem in 4 gezeigten Blockschema übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist der erste Regelkreis 16A ein Aufwärtswandler, ist das erste Schaltnetz 12A ein seriell-paralleler Zweiphasen-SC-Hochsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 1:2 und ist der zweite Regelkreis 16B ein Aufwärtswandler. Im Betrieb werden durch Schließen der Schalter 1 die Kondensatoren C1 und C2 geladen, während gleichzeitig die Kondensatoren C3 und C4 entladen werden. Das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. 35 shows a high-low power converter with the in 4 corresponds to the block diagram shown. In this embodiment, the first control loop is 16A an up-converter, is the first switching network 12A a serial-parallel two-phase SC step-up converter with a conversion ratio of 1: 2 and is the second loop 16B an up-converter. In operation, by closing the switches 1, the capacitors C 1 and C 2 are charged, while at the same time the capacitors C 3 and C 4 are discharged. The closing of the switch 2 has the complementary effect.

36 zeigt einen bidirektionalen Hoch-Tief-Stromrichter, der mit der in 4 gezeigten Blockschema übereinstimmt. In dieser Ausführungsform ist der erste Regelkreis 16A ein synchroner Aufwärtswandler, ist das erste Schaltnetz 12A ein seriell-paralleler fraktionaler Zweiphasen-SC-Hochsetzsteller mit einem Umwandlungsverhältnis von 3:2 und ist der zweite Regelkreis 16B ein synchroner Abwärtswandler. Im Betrieb werden durch Schließen der Schalter 1 die Kondensatoren C3 und C4 geladen, während gleichzeitig die Kondensatoren C1 und C2 entladen werden. Das Schließen der Schalter 2 hat den komplementären Effekt. Alle aktiven Komponenten werden mit Schaltern implementiert, so dass der Wandler Leistung in beiden Richtungen verarbeiten kann. Durch Anpassen des Tastzyklus des zweiten Regelkreises 16B auf solche Weise, dass der Schalter 6 für längere Zeit geschlossen bleibt, kann einen Induktor 12 eine adiabatische Ladungsübertragung zwischen Kondensatoren im ersten Schaltnetz 12A begünstigen. In einer solchen Ausführungsform kann auf die Schalter 5, 6 verzichtet werden, wodurch der Gesamtflächeninhalt des Chips, der nötig ist, um den zweiten Regelkreis 16B zu implementieren, verringert ist. 36 shows a bidirectional high-low power converter, with the in 4 corresponds to the block diagram shown. In this embodiment, the first control loop is 16A a synchronous boost converter, is the first switching network 12A a serial-parallel fractional two-phase SC step-up converter with a conversion ratio of 3: 2 and is the second loop 16B a synchronous buck converter. In operation, by closing the switches 1, the capacitors C 3 and C 4 are charged, while at the same time the capacitors C 1 and C 2 are discharged. The closing of the switch 2 has the complementary effect. All active components are implemented with switches so that the converter can process power in both directions. By adjusting the duty cycle of the second control loop 16B in such a way that the switch 6 remains closed for a long time, an inductor 12 an adiabatic charge transfer between capacitors in the first switching network 12A favor. In such an embodiment, the switches 5, 6 can be dispensed with, whereby the total surface area of the chip that is necessary to the second loop 16B to implement is reduced.

37 zeigt einen Tiefsetzsteller, der im Wesentlichen mit der Architektur konform ist, die in 6B vorgestellt wurde. In dieser Ausführungsform weist ein vierter Regelkreis 16D gekoppelte Induktoren L1, L2 auf. Der vierte Regelkreis 16D reguliert parallel das erste und das zweites Schaltnetz 12A, 12B, die um 90° phasenversetzt arbeiten. Die Aufgabe der Beschränkung einer Ladungsübertragung zwischen den vier Kondensatoren Co des ersten und des zweiten Schaltnetzes 12A, 12B teilen sich der erste und der zweite Regelkreis 16A, 16B, die sich auch die gekoppelten Induktoren 13, L4 teilen. Wenn der Kopplungsfaktor der gekoppelten Induktoren 13, 14 richtig eingestellt wird, kann ein Welligkeitsstrom durch diese Induktoren hindurch verringert werden. Somit sind in 37 die Möglichkeit gekoppelter Induktoren L1, L2 innerhalb einer einzigen Komponente, das heißt des vierten Regelkreises 16D, und die bereits in 6B angedeutete Möglichkeit gekoppelter Induktoren 13, 14 über separaten Komponenten, das heißt dem ersten und dem zweiten Regelkreis 16A, 16B, dargestellt. 37 shows a buck converter that is substantially compliant with the architecture used in 6B was presented. In this embodiment, a fourth control circuit 16D coupled inductors L 1 , L 2 . The fourth loop 16D regulates in parallel the first and the second switching network 12A . 12B that work 90 ° out of phase. The object of restricting a charge transfer between the four capacitors Co of the first and the second switching network 12A . 12B share the first and the second loop 16A . 16B , which is also the coupled inductors 13 Share L 4 . If the coupling factor of the coupled inductors 13 . 14 is properly adjusted, a ripple current can be reduced through these inductors. Thus, in 37 the possibility of coupled inductors L 1 , L 2 within a single component, that is the fourth control loop 16D , and already in 6B indicated possibility coupled inductors 13 . 14 via separate components, ie the first and the second control loop 16A . 16B represented.

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.

Claims (63)

Vorrichtung zum Verarbeiten elektrischer Leistung, wobei die Vorrichtung einen Stromrichter mit einem Pfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten Stromrichteranschluss und einem zweiten Stromrichteranschluss umfasst, wobei während des Betriebs des Stromrichters der erste Stromrichteranschluss bei einer ersten Spannung gehalten wird und der zweite Stromrichteranschluss bei einer zweiten Spannung gehalten wird, die niedriger ist als die erste Spannung, wobei der Stromrichter einen ersten Regelkreis und ein Schaltnetz umfasst, die beide auf dem Pfad angeordnet sind, wobei das Schaltnetz Schalter, ein erstes Ladungsspeicherelement und einen ersten und einen zweiten Schaltnetzanschluss umfasst, wobei der erste Regelkreis ein erstes Magnetspeicherelement und einen ersten Regelkreisanschluss umfasst, wobei der Strompfad den ersten Regelkreisanschluss, den ersten Schaltnetzanschluss und den zweiten Schaltnetzanschluss umfasst, wobei der erste Regelkreisanschluss mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden ist, wobei das Schaltnetz dafür ausgelegt ist, zwischen einer ersten Schalterkonfiguration und einer zweiten Schalterkonfiguration zu wechseln, wobei, wenn das Schaltnetz die erste Schalterkonfiguration einnimmt, das erste Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate aufgeladen wird, wobei, wenn das Schaltnetz die zweite Schalterkonfiguration einnimmt, das erste Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate entladen wird, und wobei die erste Rate und die zweite Rate vom ersten Magnetspeicherelement beschränkt werden. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner einen zweiten Regelkreis umfassend, der auf dem Pfad angeordnet ist, wobei der zweite Regelkreis einen zweiten Regelkreisanschluss umfasst, wobei der Strompfad den zweiten Regelkreisanschluss umfasst, und wobei der zweite Regelkreisanschluss mit dem zweiten Schaltnetzanschluss verbunden ist.An apparatus for processing electrical power, the apparatus comprising a power converter having a path for a current flow between a first power converter terminal and a second power converter terminal, wherein during operation of the power converter, the first power converter terminal is maintained at a first voltage and the second power converter terminal at a second voltage which is lower than the first voltage, wherein the power converter comprises a first control circuit and a switching network, both of which are arranged on the path, wherein the switching network comprises switches, a first charge storage element and a first and a second switching power supply, wherein the first Control loop comprises a first magnetic memory element and a first loop terminal, wherein the current path comprises the first loop terminal, the first switching power supply and the second switching power supply, wherein the first loop connection to the first switching network wherein the switching network is adapted to switch between a first switch configuration and a second switch configuration, wherein when the switching network takes the first switch configuration, the first charge storage element is charged at a first rate, wherein when the switching network is the second switch configuration assumes the first charge storage element is discharged at a second rate, and wherein the first rate and the second rate are limited by the first magnetic storage element. 2. The apparatus of claim 1, further comprising a second control loop disposed on the path, wherein the second control loop comprises a second control loop connection, the flow path comprising the second control loop connection, and wherein the second control loop connection is connected to the second switchgear connection. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ferner ein zweites Ladungsspeicherelement umfasst, wobei, wenn das Schaltnetz die erste Schalterkonfiguration einnimmt, das zweite Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate entladen wird, und wobei, wenn das Schaltnetz die zweite Konfiguration einnimmt, das zweite Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate geladen wird, wobei die erste und die zweite Rate beide vom ersten Magnetspeicherelement beschränkt werden. The device of claim 1 or claim 2, wherein the switching network further comprises a second charge storage element, wherein when the switching network takes the first switch configuration, the second charge storage element is discharged at a first rate and wherein, when the switching network takes the second configuration, the second one Charge storage element is charged at a second rate, wherein the first and the second rate are both limited by the first magnetic storage element. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der zweite Regelkreis ein zweites Magnetspeicherelement und einen mit dem zweiten Magnetspeicherelement verbundenen Schalter umfasst, wobei der Schalter so gesteuert werden kann, dass er zwischen mindestens zwei Schaltkonfigurationen umschaltet.The device of claim 2, wherein the second control circuit comprises a second magnetic memory element and a switch connected to the second magnetic memory element, wherein the switch can be controlled to switch between at least two switching configurations. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der zweite Regelkreis ferner eine Rückkopplungsschleife zum Steuern des Betriebs des Schalters als Reaktion auf eine gemessene Ausgabe des Stromrichters umfasst.The apparatus of claim 2, wherein the second control loop further comprises a feedback loop for controlling the operation of the switch in response to a measured output of the power converter. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Magnetspeicherelement ein Filter umfasst.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the first magnetic storage element comprises a filter. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Magnetspeicherelement ein Filter umfasst und wobei das Filter eine Resonanzfrequenz aufweist.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the first magnetic storage element comprises a filter and wherein the filter has a resonant frequency. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner einen dritten Regelkreis umfassend, wobei der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden ist, wobei der dritte Regelkreis einen Induktor umfasst, und wobei der zweite Regelkreis einen Induktor umfasst, der mit dem Induktor des dritten Regelkreises gekoppelt ist.The apparatus of claim 2, further comprising a third control circuit, wherein the third control circuit is connected to the switching network, wherein the third control circuit comprises an inductor, and wherein the second control circuit comprises an inductor, which is coupled to the inductor of the third control circuit. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner einen Induktorkern und einen dritten Regelkreis umfassend, wobei der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden ist, wobei der Induktorkern einem Induktor im dritten Regelkreis und einem Induktor im zweiten Regelkreis gemeinsam ist.The device of claim 2, further comprising an inductor core and a third loop, the third loop being connected to the switching network, the inductor core being common to a third-loop inductor and a second-loop inductor. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Rate und die zweite Rate gleich sind.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the first rate and the second rate are equal. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein rekonfigurierbares Schaltnetz umfasst, wobei das rekonfigurierbare Schaltnetz eines ist, das einen Satz von Schalterkonfigurationen {α1, α2, ... αk} aufweist, worin k > 2, und das Schaltnetz dafür ausgelegt ist, für alle m, n in dem Satz von ganzen Zahlen {1, 2 ... k} zwischen αb und αn zu wechseln.The apparatus of claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a reconfigurable switching network, the reconfigurable switching network being one having a set of switch configurations {α 1 , α 2 , ... α k }, wherein k> 2, and the Switching network is designed to switch between α b and α n for all m, n in the set of integers {1, 2 ... k}. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein Mehrphasen-Schaltnetz umfasst.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a multi-phase switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein seriell-paralleles Mehrphasen-Schaltnetz umfasst.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a serial-parallel polyphase switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein mehrstufiges Mehrphasen-Schaltnetz umfasst.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a multistage multiphase switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein Schaltnetz umfasst, das an einem Eingang eine Ladung empfängt und an einem Ausgang eine Ladung ausgibt, wobei ein Ladungstransport vom Eingang zum Ausgang in n Schaltzyklen ausgeführt wird, wobei n > 1.The device of claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a switching network receiving a charge at an input and outputting a charge at an output, wherein charge transport from the input to the output is performed in n switching cycles, where n> 1. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz ein mehrstufiges Schaltnetz umfasst.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a multi-level switching network. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis einen bidirektionalen Regelkreis umfasst.The device of claim 2, wherein at least one of the first and second control circuits comprises a bidirectional control circuit. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis einen mehrphasigen Regelkreis umfasst.The device of claim 2, wherein at least one of the first and second control circuits comprises a multi-phase control circuit. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis einen geschalteten Stromrichter umfasst.The device of claim 2, wherein at least one of the first and second control circuits comprises a switched power converter. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis einen Resonanzstromrichter umfasst. The device of claim 2, wherein at least one of the first and second control circuits comprises a resonant converter. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis ein Magnetfilter umfasst.The device of claim 2, wherein at least one of the first and second control circuits comprises a magnetic filter. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the switching network is configured as an AC voltage switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung ferner eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung umfasst, die mit dem Wechselspannungsschaltnetz verbunden ist.The device of claim 1 or claim 2, wherein the switching network is configured as an AC voltage switching network, the device further comprising a power factor correction circuit connected to the AC voltage switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung ferner eine mit dem Wechselspannungsschaltnetz verbundene Leistungsfaktorkorrekturschaltung umfasst, und wobei die Leistungsfaktorkorrekturschaltung zwischen das Wechselspannungsschaltnetz und den ersten Regelkreis geschaltet ist.The device of claim 1 or claim 2, wherein the switching network is configured as an AC switching network, the device further comprising a power factor correction circuit connected to the AC switching network, and wherein the power factor correction circuit is connected between the AC voltage switching network and the first control loop. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Stromrichter dafür ausgelegt ist, Schalterkonfigurationen des Schaltnetzes bei einer Frequenz zu ändern, die verschieden ist von einer Frequenz, bei der die Schaltkonfiguration des ersten und/oder des zweiten Regelkreises geändert wird.Apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the power converter is adapted to change switch configurations of the switching network at a frequency different from a frequency at which the switching configuration of the first and / or the second control loop is changed. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz einen Kaskadenvervielfacher umfasst, wobei der Kaskadenvervielfacher ein asymmetrischer Kaskadenvervielfacher mit mehreren Gleichspannungsknoten ist, von denen jeder in der Lage ist, Leistung mit einer Spannung zu liefern, die ein Vielfaches der ersten Spannung ist.The apparatus of claim 1 or claim 2, wherein the switching network comprises a cascade multiplier, the cascade multiplier being an asymmetric cascade multiplier having a plurality of DC nodes, each capable of delivering power at a voltage that is a multiple of the first voltage. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner einen Schaltkreis mit integrierter Leistungsverwaltung umfassend, in den mehrere Regelkreise eingebaut sind, wobei der Strompfad ein Strompfadteilstück umfasst, das sich aus dem Schaltkreis mit integrierter Leistungsverwaltung hinaus und in das Schaltnetz hinein erstreckt.The apparatus of claim 2, further comprising a power management integrated circuit having multiple control loops built therein, the power path including a power path section extending out of the power management integrated circuit and into the switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schalter einen ersten Schalter mit einem ersten Flächeninhalt und einen zweiten Schalter mit einem zweiten Flächeninhalt umfassen, wobei der erste Flächeninhalt größer ist als der zweite Flächeninhalt.The device of claim 1 or 2, wherein the switches comprise a first switch having a first area and a second switch having a second area, wherein the first area is greater than the second area. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromrichter dafür ausgelegt ist, Schalterkonfigurationen des Schaltnetzes bei einer Schaltfrequenz zu ändern, wobei jeder der Schalter eine Schalterbreite aufweist und wobei die Schalterbreiten der Schalter so ausgewählt sind, dass eine Zeitkonstante einer Ladungsübertragung zwischen Ladungsspeicherelementen des Schaltnetzes mindestens so groß ist wie die Schaltfrequenz.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the power converter is adapted to change switch configurations of the switching network at a switching frequency, wherein each of the switches has a switch width and wherein the switch widths of the switches are selected so that a time constant of a charge transfer between charge storage elements of the switching network at least is as big as the switching frequency. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromrichter dafür ausgelegt ist, Schalterkonfigurationen des Schaltnetzes bei einer Schaltfrequenz zu ändern, wobei das Schaltnetz so konfiguriert ist, dass eine Erhöhung eines Widerstands der Schalter bei der Frequenz Verluste verringert, die damit assoziiert sind, dass ein Strom innerhalb des Netzes fließt.The device of claim 1 or 2, wherein the power converter is configured to change switch configurations of the switching network at a switching frequency, wherein the switching network is configured so that increasing a resistance of the switches at the frequency reduces losses associated therewith Electricity flows within the network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist, wobei der erste Regelkreis eine erste Spannung empfängt, wobei der zweite Stromrichteranschluss eine zweite Spannungsdifferenz ausgibt, wobei die erste Spannungsdifferenz eine Differenz zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, die kleiner ist als die erste Spannung, ist, wobei die zweite Spannungsdifferenz eine Differenz zwischen einer dritten Spannung und einer vierten Spannung, die kleiner ist als die dritte Spannung, ist, und wobei eine Differenz zwischen der vierten Spannung und der zweiten Spannung ungleich null ist.The device of claim 1 or 2, wherein the switching network is configured as an AC switching network, the first control circuit receiving a first voltage, the second power converter terminal outputting a second voltage difference, wherein the first voltage difference is a difference between a first voltage and a second voltage is as the first voltage, wherein the second voltage difference is a difference between a third voltage and a fourth voltage, which is smaller than the third voltage, and wherein a difference between the fourth voltage and the second voltage is not equal to zero. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist, wobei der erste Regelkreis eine Gleichspannungsdifferenz empfängt, wobei der Stromrichter eine Wechselspannungsdifferenz empfängt, wobei die Gleichspannung eine Differenz zwischen einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung, die kleiner ist als die erste Spannung, ist, wobei die Wechselspannungsdifferenz eine Differenz zwischen einer im Zeitverlauf variierenden Spannung und einer konstanten Spannung ist, wobei eine Differenz zwischen der konstanten Spannung und der zweiten Spannung ungleich null ist.The apparatus of claim 1 or 2, wherein the switching network is configured as an alternating voltage switching network, wherein the first control circuit receives a DC voltage difference, wherein the power converter receives an AC voltage difference, wherein the DC voltage is a difference between a first voltage and a second voltage that is smaller than the first Voltage, wherein the AC difference is a difference between a time-varying voltage and a constant voltage, wherein a difference between the constant voltage and the second voltage is nonzero. Verfahren, um zu bewirken, dass ein Stromrichter elektrische Leistung verarbeitet, wobei das Verfahren umfasst, 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.A method for causing a power converter to process electrical power, the method comprising, on a current path for a current flow between a first power converter terminal and a second power converter terminal, a first control loop of a first control loop having a first control loop first switching power supply of a first switching network is connected, the first switching network is brought into a configuration that allows charging of the first charge storage element of the first switching network, 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 is brought into a configuration that allows a discharge 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 of the first charge storage element of the first switching network is limited. Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend, dass 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.The method of claim 33, further comprising connecting a second loop of a second loop to a second switched grid of the first switching network and using the second loop maintaining the first power converter terminal at a second voltage, thereby maintaining the second power converter terminal at a second voltage. which is lower than the first voltage, for which switches are used in the first switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend, dass während einer Beschränkung einer Aufladungsrate eines zweiten Ladungsspeicherelements eine Entladungsrate des ersten Ladungsspeicherelements beschränkt wird, und dass während einer Beschränkung einer Entladungsrate des ersten Ladungsspeicherelements eine Aufladungsrate des zweien Ladungsspeicherelements beschränkt wird.The method of claim 33, further comprising 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. Verfahren nach Anspruch 34, ferner umfassend, dass ein Schalter, der mit einem Magnetspeicherelement des zweiten Regelkreises verbunden ist, als Reaktion auf eine gemessene Ausgabe des Stromrichters gesteuert wird.The method of claim 34, further comprising controlling a switch connected to a magnetic storage element of the second control loop in response to a measured output of the power converter. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das erste Magnetspeicherelement ein Filter umfasst.The method of claim 33, wherein the first magnetic memory element comprises a filter. Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Filter eine Resonanzfrequenz aufweist.The method of claim 37, wherein the filter has a resonant frequency. Verfahren nach Anspruch 34, ferner einen dritten Regelkreis umfassend, wobei der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden ist, wobei der dritte Regelkreis einen Induktor umfasst, und wobei der zweite Regelkreis einen Induktor umfasst, der mit dem Induktor des dritten Regelkreises gekoppelt ist.The method of claim 34, further comprising a third control loop, wherein the third control loop is connected to the switching network, wherein the third control loop comprises an inductor, and wherein the second control loop comprises an inductor, which is coupled to the inductor of the third control loop. Verfahren nach irgendeinem Anspruch 34, ferner einen Induktorkern und einen dritten Regelkreis umfassend, wobei der dritte Regelkreis mit dem Schaltnetz verbunden ist, wobei der Induktorkern einem Induktor im dritten Regelkreis und einem Induktor im zweiten Regelkreis gemeinsam ist.The method of claim 34, further comprising an inductor core and a third feedback loop, wherein the third feedback loop is connected to the switching network, wherein the inductor core is common to a third-loop inductor and a second-loop inductor. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die erste Rate und die zweite Rate gleich sind.The method of claim 33, wherein the first rate and the second rate are equal. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines rekonfigurierbaren Schaltnetzes als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a reconfigurable switching network as the switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines Mehrphasen-Schaltnetzes als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a multi-phase switching network as the switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines seriell-parallelen Mehrphasen-Schaltnetzes als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a serial-parallel polyphase switching network as the switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines mehrstufigen Mehrphasen-Schaltnetzes als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a multistage multiphase switching network as the switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines Kaskadenvervielfachers als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a cascade multiplier as the switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Auswählen eines mehrstufigen Schaltnetzes als das Schaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising selecting a multi-level switching network as the switching network. Verfahren nach Anspruch 34, ferner das Auswählen eines bidirektionalen Regelkreises als mindestens einen vom ersten und vom zweiten Regelkreis umfassend. The method of claim 34, further comprising selecting a bidirectional closed loop as at least one of the first and second control loops. Verfahren nach Anspruch 34, ferner das Auswählen eines mehrphasigen Regelkreises als mindestens einen vom ersten und vom zweiten Regelkreis umfassend.The method of claim 34, further comprising selecting a polyphase control loop as at least one of the first and second control loops. Verfahren nach Anspruch 34, ferner das Auswählen eines geschalteten Stromrichters als mindestens einen vom ersten und vom zweiten Regelkreis umfassend.The method of claim 34, further comprising selecting a switched power converter as at least one of the first and second control loops. Verfahren nach Anspruch 34, [at] ferner das Auswählen eines Resonanzstromrichters als mindestens einen vom ersten und vom zweiten Regelkreis umfassend.The method of claim 34, further comprising selecting a resonant converter as at least one of the first and second control loops. Verfahren nach Anspruch 34, ferner das Auswählen eines Magnetspeicherelements als mindestens einen vom ersten und vom zweiten Regelkreis umfassend.The method of claim 34, further comprising selecting a magnetic memory element as at least one of the first and second control loops. Verfahren nach Anspruch 34, ferner umfassend, dass mindestens einer vom ersten und vom zweiten Regelkreis so ausgewählt wird, dass er ein Magnetfilter umfasst.The method of claim 34, further comprising at least one of the first and second control loops being selected to include a magnetic filter. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Konfigurieren des Schaltnetzes als Wechselspannungsschaltnetz umfassend.The method of claim 33, further comprising configuring the switching network as an AC voltage switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Steuern eines Leistungsfaktors einer Ausgabe des Wechselspannungsschaltnetzes umfassend.The method of claim 33, further comprising controlling a power factor of an output of the AC switching network. Verfahren nach Anspruch 33, ferner das Schalten einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung zwischen das Wechselspannungsschaltnetz und den ersten Regelkreis umfassend.The method of claim 33, further comprising switching a power factor correction circuit between the AC switching network and the first control loop. Verfahren nach Anspruch 34, ferner das Ändern von 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, umfassend.The method of claim 34, further comprising changing switch configurations of the switching network at a frequency different than a frequency at which the switching configuration of the first and / or second control circuits is changed. Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, in dem eine Datenstruktur gespeichert wird, mit der ein Programm arbeitet, das auf einem Computersystem ausführbar ist, wobei die Datenstruktur, wenn ein solches Programm mit ihr arbeitet, zumindest einen Abschnitt eines Prozesses zur Herstellung einer integrierten Schaltung bewirkt, die eine Schaltungsanordnung umfasst, die von der Datenstruktur beschrieben wird, wobei die von der Datenstruktur beschriebene Schaltungsanordnung ein Schaltnetz einschließt, das dafür ausgelegt ist, mit einem Stromrichter zu arbeiten, der einen Pfad für einen Stromfluss zwischen einem ersten Stromrichteranschluss und einem zweiten Stromrichteranschluss umfasst, wobei während des Betriebs des Stromrichters der erste Stromrichteranschluss bei einer ersten Spannung gehalten wird und der zweite Stromrichteranschluss bei einer zweiten Spannung gehalten wird, die niedriger ist als die erste Spannung, wobei der Stromrichter einen ersten Regelkreis und das Schaltnetz umfasst, die beide auf dem Pfad angeordnet sind, wobei das Schaltnetz Schalter und einen ersten und einen zweiten Schaltnetzanschluss umfasst, wobei der erste Regelkreis ein erstes Magnetspeicherelement und einen ersten Regelkreisanschluss umfasst, wobei der Strompfad den ersten Regelkreisanschluss, den ersten Schaltnetzanschluss und den zweiten Schaltnetzanschluss umfasst, wobei der erste Regelkreisanschluss mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden ist, wobei das Schaltnetz dafür ausgelegt ist, zwischen einer ersten Schalterkonfiguration und einer zweiten Schalterkonfiguration zu wechseln, wobei, wenn das Schaltnetz die erste Schalterkonfiguration einnimmt, das erste Ladungsspeicherelement mit einer ersten Rate aufgeladen wird, wobei, wenn das Schaltnetz die zweite Schalterkonfiguration einnimmt, das erste Ladungsspeicherelement mit einer zweiten Rate entladen wird, und wobei die erste Rate und die zweite Rate vom ersten Magnetspeicherelement beschränkt werden.A non-transitory computer-readable medium storing a data structure that is executable by a program executable on a computer system, wherein the data structure, when operative therewith, effects at least a portion of an integrated circuit fabrication process comprising a Includes circuitry described by the data structure, wherein the circuitry described by the data structure includes a switching network configured to operate with a power converter that includes a path for current flow between a first power converter terminal and a second power converter terminal 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 having a first control circuit and the switching power both disposed on the path, the switching network comprising switches and first and second switched mode power connections, the first control circuit comprising a first magnetic memory element and a first closed loop terminal, the current path comprising the first closed loop terminal, the first switched mode terminal and the second switched mode terminal wherein the first loop connection is connected to the first switch mode power supply, wherein the switching network is configured to switch between a first switch configuration and a second switch configuration, wherein when the switch network adopts the first switch configuration, the first charge storage element is charged at a first rate wherein when the switching network adopts the second switch configuration, the first charge storage element is discharged at a second rate, and wherein the first rate and the second rate are limited by the first magnetic storage element. Schaltungsanordnung, die von der Datenstruktur nach Anspruch 58 beschrieben wird, wobei die Schaltungsanordnung ein Schaltnetz umfasst, das einen ersten und einen zweiten Schaltanschluss umfasst, wobei das Schaltnetz dafür ausgelegt 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 der erste und der zweite Stromrichteranschluss auf einer entsprechenden ersten und zweiten Spannung gehalten werden, wobei die zweite Spannung niedriger ist als die erste Spannung, wobei das Schaltnetz dafür ausgelegt ist, zwischen Schalterkonfigurationen zu wechseln, während denen sich jeweils eine Ladungsmenge in einem Ladungsspeicherelement in dem Stromrichter mit einer Rate ändert, die von dem Magnetspeicherelement beschränkt wird, wobei der Strompfad einen ersten Regelkreisanschluss, der mit dem ersten Regelkreis assoziiert ist und mit dem ersten Schaltnetzanschluss verbunden ist, und einen zweiten Regelkreisanschluss, der mit dem zweiten Regelkreis assoziiert ist und mit dem zweiten Schaltnetzanschluss verbunden ist, aufweist.Circuitry described by the data structure of claim 58, wherein the circuitry comprises a switching network comprising first and second switching terminals, the switching network being arranged, together with a first and a second loop, at least one of which is a magnetic memory element including, disposed on a current flow path between a first and a second power converter terminal of a power converter, wherein the first and the second power converter terminal are held at a respective first and second voltage, wherein the second voltage is lower than the first voltage, wherein the switching network for is configured to switch between switch configurations, during which each changes an amount of charge in a charge storage element in the power converter at a rate that is limited by the magnetic storage element, wherein the current path, a first loop terminal, the m it is associated with the first control circuit and is connected to the first switching power supply, and a second control circuit connection, which is associated with the second control circuit and is connected to the second switching power supply has. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner eine Steuereinrichtung umfassend, die sowohl den ersten Regelkreis als auch das Schaltnetz steuert. Apparatus according to claim 1 or 2, further comprising a control device which controls both the first control circuit and the switching network. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltnetz einen ersten und einen zweiten Taktungsanschluss zum Ausgeben von phasenversetzten Taktsignalen umfasst, wobei das erste Taktsignal mit einem ersten Satz von Kondensatoren verbunden ist und das zweite Taktsignal mit einem zweiten Satz von Kondensatoren verbunden ist, wobei ein erster und ein zweiter Kondensator aus dem ersten Satz durch einen dritten Kondensator aus dem zweiten Satz getrennt werden, wobei ein erster Schalter den ersten Kondensator mit dem dritten Kondensator verbindet und ein zweiter Schalter den dritten Kondensator mit dem zweiten Kondensator verbindet.The apparatus of claim 1 or 2, wherein the switching network comprises first and second clock terminals for outputting out of phase clock signals, wherein the first clock signal is connected to a first set of capacitors and the second clock signal is connected to a second set of capacitors first and second capacitors from the first set are separated by a third capacitor from the second set, wherein a first switch connects the first capacitor to the third capacitor and a second switch connects the third capacitor to the second capacitor. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltnetz einen Kaskadenvervielfacher umfasst, wobei der Kaskadenvervielfacher ein asymmetrischer Kaskadenvervielfacher mit mehreren Gleichspannungsknoten ist, von denen jeder zur Verfügung steht, eine andere Bezugsspannung zu liefern.The apparatus of claim 1 or 2, wherein the switching network comprises a cascade multiplier, wherein the cascade multiplier is an asymmetrical cascade multiplier having a plurality of DC nodes, each of which is available to supply a different reference voltage. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schaltnetz einen ersten und einen zweiten Taktungsanschluss umfasst, um phasenversetzte Taktsignale auszugeben, wobei das erste Taktsignal mit einem ersten Satz von Reihenkondensatoren und einem zweiten Satz von Reihenkondensatoren verbunden ist, wobei der zweite Satz parallel ist zum ersten Satz, wobei das zweite Taktsignal mit einem dritten Satz von Reihenkondensatoren und einem vierten Satz von Reihenkondensatoren verbunden ist, wobei der dritte Satz parallel ist zum vierten Satz, wobei die Vorrichtung ferner ein erstes und ein zweites Schalter-Array umfasst, wobei das erste Schalter-Array den ersten und den dritten Satz von Reihenkondensatoren verbindet und das zweite Schalter-Array den zweiten und den vierten Satz von Reihenkondensatoren verbindet.The apparatus of claim 1 or 2, wherein the switching network comprises first and second clock terminals for outputting out of phase clock signals, the first clock signal being connected to a first set of series capacitors and a second set of series capacitors, the second set being parallel to the first A set, wherein the second clock signal is coupled to a third set of series capacitors and a fourth set of series capacitors, the third set being parallel to the fourth set, the device further comprising first and second switch arrays, the first switch set. Array connects the first and third sets of series capacitors and the second switch array connects the second and fourth sets of series capacitors. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Schaltnetz als Wechselspannungsschaltnetz konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung ferner eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung umfasst, die mit dem Wechselspannungsschaltnetz verbunden ist.The device of claim 1 or claim 2, wherein the switching network is configured as an AC voltage switching network, the device further comprising a power factor correction circuit connected to the AC voltage switching network.
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