[发明专利]带有电感元件的高功率电荷泵

说明书

一种高功率单向或双向的电荷泵，其带有电感元件(3)，适用于大功率DC‑DC转换器应用。与存储电容器(2)谐振的电感元件(3)允许零电流开关过程。电容器形式的存储元件代替传统电感器允许廉价且轻质的结构。输出电压不能被主动调节，并且对应于输入电压的分数。然而，可以容易地获得输出(11)和输入(1)之间的几种电压比，例如0.25、0.33、0.5、0.75、1.25、1.33、1.5、2、3、4。

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的DC-DC转换器，特别地，涉及一种用于高功率应用的电荷泵，其特别地包括与电容器组合的电感元件，其允许零电流开关过程并因此使得损耗最小化。

背景技术

在广泛的应用中需要高效且轻量的DC到DC电压转换，这些应用涉及从具有mW级的输出功率的小型电源到大型MW级的输出功率的设备的最为不同的功率水平。

为了得到有效的DC到DC转换，有几种可能的拓扑结构。但是，DC-DC转换背后的基本原理始终是相同的。任何拓扑都呈现出输入DC链路、输出DC链路和一个(或多个)存储元件。在第一步骤中，一些能量从输入DC链路传递到存储元件。在第二步骤中，能量从存储器传递到输出DC链路。然后按此顺序重复。

几乎全部高功率转换器采用电感元件作为存储元件。在非常低功率的应用中，通常使用电容器作为存储元件，通常使用称为电荷泵的电路。

对于高功率应用，实际上从未使用电荷泵(例如：作为存储元件的电容器)。

电荷泵允许关于电流和/或输出电压的极差的控制可能性。然而，电容器作为存储元件的使用在成本重量和制造工艺方面具有显著的益处。

在US 6429632 B1中公开了一种特定类型的DC到DC功率转换器和转换方法，其使用高频开关的电容器，其中开关由集成电路芯片上的CMOS晶体管或二极管实现并且使用电感器来限制充电电流。当电感器电流为零且电容器电压最大化时，使用电感器通过高频开关来降低电路电容器中的能量损耗，从而实现高效率。转换器电路的高频(100MHz或更高)操作允许使用能够直接在集成电路(IC)芯片上制造的具有100nH(100×10-9Henrys)量级的低电感值的电感器。CMOS集成组件的使用允许整个转换器形成在单个IC芯片上，从而节省便携式系统内的大量空间。输出电压和电流足够高，可以进行EEPROM编程。另外，当并联使用几个转换器电路时，基本上消除了输出电压(纹波电压)的波动。虽然这种类型的转换器适用于集成电路内部并且在高电流下操作，但它不适用于高压和高功率应用，例如在混动或电动车辆中。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高功率应用的电荷泵拓扑结构，其不需要精确的输出电压控制。

该目的通过独立权利要求1的特征部分实现。本发明构思的其他实施例和有利变型在从属权利要求、以下说明书和附图中给出。

与传统的和广泛使用的电荷泵拓扑结构(专为低功率应用而设计)相比，这里提出的设计包括允许零电流开关和转换器的谐振操作的电感元件，其中仅用一个线圈和一个电容器产生特殊的谐振波形。此外，可以显著减少必要的卷绕产品，从而使新的转换器设计更具成本效益且更轻便。

工作频率通常低于500kHz，优选地跨越约20至约200kHz的范围。额定输入电压通常在大约400V的范围内且可以升压到800V，以允许例如可以在400V电站为800V电池充电，或者通过800V电池为400V系统充电。典型功率值介于20kW至200kW之间，但也可以更低或更高。

附图说明

附图标记列表是本公开的一部分。附图之间相互关联且相互结合。相同的附图标记用于相同的部件。具有不同标识的附图标记用于功能相同或相似的部分。

图1示出了一种将输入电压加倍的电荷泵电路，并示出了主要部件中相应的定性波形。