开关电容器功率转换系统和控制方法

技术领域

本公开涉及一种高效的开关电容器功率转换系统，并且在特定实施例中，涉及一种多级开关电容器功率转换系统。

背景技术

随着技术的进一步发展，诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等的各种电子设备已经变得流行。每个电子设备都需要处于基本恒定电压的直流电(direct current，DC)，即使在电子设备汲取的电流可能在宽范围内变化时，也可以将其调节在指定范围内。当输入电压低于特定范围时，可以采用升压DC/DC转换器将输入电压转换为在特定范围内的稳定电压。另一方面，当输入电压高于特定范围时，可以使用降压DC/DC转换器将输入电源的电压转换成较低的电压，以满足指定用于电子电路的操作电压。

可以存在多种DC/DC转换拓扑。根据拓扑差异，DC/DC转换器可以分为三类，即开关DC/DC转换器、线性稳压器和开关电容器转换器。根据电压电平差，DC/DC转换器可以分为两类，即两级功率转换器和三级功率转换器。开关电容器转换器是三级功率转换器的一种。

随着集成电路越来越先进，同时尺寸不断缩小，因此需要一种紧凑而高效的DC/DC转换拓扑。与其他拓扑相比，开关电容器转换器的复杂度要低一些，因为开关电容器转换器是由多个开关和一个飞跨电容器组成的。另外，开关电容器转换器具有较小的占地面积，并且能够通过在充电阶段与放电阶段之间切换飞跨电容器来产生高效的功率转换。因此，开关电容器转换器可以为集成电路提供紧凑性和高效的功率。

开关电容器转换器能够消除开关时刻开关电容器之间的较大的重新分配电流。因此，开关电容器转换器需要更小的电容。另外，开关电容器转换器的电感器和飞跨电容器形成谐振回路。该开关电容器转换器还可以通过零电流开关(zero current switching，ZCS)和/或零电压开关(zero voltage switching，ZVS)来降低开关损耗。

发明内容

通过提供高效开关电容器功率转换系统的本公开的优选实施例，通常解决或避免了这些和其他问题，并且总体上实现了技术优点。

根据实施例，一种系统包括：第一开关电容器转换器，所述第一开关电容器转换器包括串联连接的多个开关；第二开关电容器转换器；以及第三开关电容器转换器，所述第三开关电容器转换器在所述多个开关中的两个开关的公共节点与负载之间与所述第二开关电容器转换器并联连接，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器均包括电感器。

所述第一开关电容器转换器的所述多个开关包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关串联连接在输入电压总线与接地之间，并且其中，所述第一开关电容器转换器还包括第一飞跨电容器，所述第一飞跨电容器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接在所述第二开关和所述第三开关的公共节点与所述负载之间。

所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在输入电压总线与接地之间，并且其中，所述第二开关电容器转换器还包括：第二飞跨电容器，所述第二飞跨电容器连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间；以及第一电感器，所述第一电感器连接在所述第六开关和所述第七开关的公共节点与所述负载之间。

所述第三开关电容器转换器包括：第九开关、第十开关、第十一开关和第十二开关，所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关和所述第十二开关串联连接在输入电压总线与接地之间，并且其中，所述第三开关电容器转换器还包括：第三飞跨电容器，所述第三飞跨电容器连接在所述第九开关和所述第十开关的公共节点与所述第十一开关和所述第十二开关的公共节点之间；以及第二电感器，所述第二电感器连接在所述第十开关和所述第十一开关的公共节点与所述负载之间。

所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在输入电压总线与接地之间，并且其中，所述第二开关电容器转换器还包括第二飞跨电容器和第一电感器，所述第二飞跨电容器和所述第一电感器串联连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间。

所述第三开关电容器转换器包括：第九开关、第十开关、第十一开关和第十二开关，所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关和所述第十二开关串联连接在输入电压总线与接地之间，并且其中，所述第三开关电容器转换器还包括第三飞跨电容器和第二电感器，所述第三飞跨电容器和所述第二电感器串联连接在所述第九开关和所述第十开关的公共节点与所述第十一开关和所述第十二开关的公共节点之间。

所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器被配置为以彼此异相180度操作。

所述第一开关电容器转换器、所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器中的每一个被配置为2:1降压功率转换器。

所述第一开关电容器转换器、所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器的开关被配置为以大约50％的占空比操作。

所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器的开关被配置为以大于或等于50％的占空比操作，而所述第一开关电容器转换器的开关被配置为以小于50％的占空比操作。

根据另一实施例，一种系统包括：多个开关电容器功率转换级，所述多个开关电容器功率转换级级联连接在电源与负载之间，所述多个开关电容器功率转换级中的第一开关电容器功率转换级直接连接到所述负载，所述第一开关电容器功率转换级包括并联连接的多个第一开关电容器功率转换器，所述多个第一开关电容器功率转换器中的每一个包括电感器，其中，所述多个开关电容器功率转换级中的第二开关电容器功率转换级连接到所述第一开关电容器功率转换级，所述第二开关电容器功率转换级包括多个第二开关电容器功率转换器，所述多个第二开关电容器功率转换器中的每一个连接到两个并联连接的第一开关电容器功率转换器的输入。

所述系统是两级开关电容器功率转换系统。

所述第二开关电容器功率转换级包括第一开关电容器转换器，所述第一开关电容器转换器包括串联连接的多个开关，并且所述第一开关电容器功率转换级包括并联连接在所述第一开关电容器转换器与所述负载之间的第二开关电容器转换器和第三开关电容器转换器。

所述第一开关电容器转换器包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关串联连接在输入电压总线与接地之间；以及第一飞跨电容器，所述第一飞跨电容器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接在所述第二开关和所述第三开关的公共节点与所述负载之间。

所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点与接地之间；以及第二飞跨电容器，所述第二飞跨电容器连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间；以及第一电感器，所述第一电感器连接在所述第六开关和所述第七开关的公共节点与所述负载之间。

所述第一开关电容器转换器包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关串联连接在输入电压总线与接地之间；以及第一飞跨电容器，所述第一飞跨电容器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接在所述第二开关和所述第三开关的公共节点与所述负载之间。

所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点与接地之间；以及第二飞跨电容器和第一电感器，所述第二飞跨电容器和所述第一电感器串联连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间。

根据又另一实施例，一种方法包括：配置第一开关电容器转换器以第一占空比操作；以及配置第二开关电容器转换器和第三开关电容器转换器以第二占空比操作，其中所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接并且以彼此异相180度操作。

所述第一开关电容器转换器包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关串联连接在输入电压总线与接地之间；以及第一飞跨电容器，所述第一飞跨电容器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接在所述第二开关和所述第三开关的公共节点与负载之间。所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点与接地之间；以及第二飞跨电容器，所述第二飞跨电容器连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间；以及第一电感器，所述第一电感器连接在所述第六开关和所述第七开关的公共节点与所述负载之间。

所述第一开关电容器转换器包括：第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关串联连接在输入电压总线与接地之间；以及第一飞跨电容器，所述第一飞跨电容器连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间，所述第二开关电容器转换器和所述第三开关电容器转换器并联连接在所述第二开关和所述第三开关的公共节点与负载之间。所述第二开关电容器转换器包括：第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关串联连接在所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点与接地之间；以及第二飞跨电容器和第一电感器，所述第二飞跨电容器和所述第一电感器串联连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间。

本公开的实施例的优点是高效的开关电容器功率转换系统在电源与负载之间提供了高校且可靠的功率转换路径。

前述内容已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本公开的详细描述。在下文中将描述形成本公开的权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应当认识到，此类等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了根据本公开的各种实施例的第一开关电容器功率转换系统的框图；

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第一开关电容器功率转换器的示意图；

图3示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第二开关电容器功率转换器的示意图；

图4示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第三开关电容器功率转换器的示意图；

图5示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第一开关电容器功率转换系统的示意图；

图6示出了根据本公开的各种实施例的在第一操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图；

图7示出了根据本公开的各种实施例的在第一操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形；

图8示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图；

图9示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形；

图10示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的三种波形；

图11示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图；

图12示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图

图13示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图；

图14示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形；

图15示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图；

图16示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图；

图17示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形；

图18示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的六种波形；

图19示出了根据本公开的各种实施例的第二开关电容器功率转换系统的框图；

图20示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第四开关电容器功率转换器的示意图；

图21示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第五开关电容器功率转换器的示意图；

图22示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第二开关电容器功率转换系统的示意图；

图23示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的各种波形；

图24示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的三种波形；

图25示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的三种波形；

图26示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第一功率转换单元；

图27示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第二功率转换单元；

图28示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第三功率转换单元；

图29示出了根据本公开的各种实施例的第一两级开关电容器功率转换系统；

图30示出了根据本公开的各种实施例的第二两级开关电容器功率转换系统；

图31示出了根据本公开的各种实施例的第一三级开关电容器功率转换系统；

图32示出了根据本公开的各种实施例的第二三级开关电容器功率转换系统；

图33示出了根据本公开的各种实施例的第一四级开关电容器功率转换系统；以及

图34示出了根据本公开的各种实施例的第二四级开关电容器功率转换系统。

除非另外指出，否则不同附图中的对应数字和符号通常是指对应的部分。绘制附图以清楚地示出各种实施例的相关方面，并且附图不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应理解，本公开提供了很多适用的发明概念，其可体现在各种具体语境中。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本公开的特定方式，并且不限制本公开的范围。

将在特定上下文下，即高效开关电容器功率转换系统中，相对于优选实施例描述本公开。然而，本公开也可以应用于各种功率转换系统。在下文中，将参考附图详细解释各种实施例。

图1示出了根据本公开的各种实施例的第一开关电容器功率转换系统的框图。第一开关电容器功率转换系统100是两级开关电容器功率转换系统。第一开关电容器功率转换系统100的第一级被实现为第一开关电容器功率转换器(switched-capacitor powerconverter，SCC)102。第一开关电容器功率转换器102具有连接到第一输入电压总线VIN1的第一输入端子和连接到第二输入电压总线VIN2的第二输入端子。第一开关电容器功率转换器102包括串联连接在VIN1与VIN2之间的多个开关。第一开关电容器功率转换器102还包括第一飞跨电容器。下面将参考图2描述第一开关电容器功率转换器102的详细结构。

第一开关电容器功率转换系统100的第二级包括并联连接的第二开关电容器功率转换器(SCC)104和第三开关电容器功率转换器(SCC)106。如图1所示，第二开关电容器功率转换器104的第一输入端子连接到第三开关电容器功率转换器106的第一输入端子，并且还连接到第一开关电容器功率转换器102的第一输出电压总线VO1。同样，第二开关电容器功率转换器104的第二输入端子连接到第三开关电容器功率转换器106的第二输入端子，并且还连接到第一开关电容器功率转换器102的第二输出电压总线VO2。

如图1所示，第二开关电容器功率转换器104的第一输出端子连接到第三开关电容器功率转换器106的第一输出端子，并且还连接到第三输出电压总线VO3。同样，第二开关电容器功率转换器104的第二输出端子连接到第三开关电容器功率转换器106的第二输出端子，并且进一步连接到第四输出电压总线VO4。

第二开关电容器功率转换器104包括串联连接在VO1与VO2之间的多个开关。第二开关电容器功率转换器104还包括第二飞跨电容器和第一电感器。下面将参考图3描述第二开关电容器功率转换器104的详细结构。

第三开关电容器功率转换器106包括串联连接在VO1与VO2之间的多个开关。第三开关电容器功率转换器106还包括第三飞跨电容器和第二电感器。下面将参考图4描述第三开关电容器功率转换器106的详细结构。

在一些实施例中，第一开关电容器功率转换器102被配置为第一2:1功率转换装置。第二开关电容器功率转换器104被配置为第二2:1功率转换装置。第三开关电容器功率转换器106被配置为第三2:1功率转换装置。

在一些实施例中，第一输入电压总线VIN2、第二输出电压总线VO2和第四输出电压总线VO4连接在一起并且进一步连接到接地。第一开关电容器功率转换器102是2:1功率转换装置。第一输出电压总线VO1上的电压等于第一输入电压总线VIN1上的电压的一半。同样，因为第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106是2:1功率转换装置，所以第三输出电压总线VO3上的电压等于第一输出电压总线VO1上的电压的一半。第一开关电容器功率转换系统100是4:1功率转换系统。换句话说，第三输出电压总线VO3上的电压等于第一输入电压总线VIN1上的电压的四分之一。

在操作中，第一开关电容器功率转换系统100可以在各种操作模式下操作。在第一操作模式中，第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以相同的开关频率操作。第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以相同的占空比操作。在一些实施例中，占空比等于50％。此外，第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以彼此异相180度操作。

在第二操作模式中，第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以相同的开关频率操作。第一开关电容器功率转换器102被配置为以第一占空比操作。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以第二占空比操作。在一些实施例中，第二占空比等于50％。第一占空比小于第二占空比。此外，第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以彼此异相180度操作。

在第三操作模式中，第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以两种不同的开关频率操作。第一开关电容器功率转换器102以第一开关频率操作。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以第二开关频率操作。在一些实施例中，第一开关频率是第二开关频率的两倍。第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以相同的占空比操作。在一些实施例中，占空比等于50％。此外，第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以彼此异相180度操作。

在第四操作模式中，第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以两种不同的开关频率操作。第一开关电容器功率转换器102以第一开关频率操作。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以第二开关频率操作。在一些实施例中，第二开关频率是第一开关频率的三倍。第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106被配置为以相同的占空比操作。在一些实施例中，占空比等于50％。此外，第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以彼此异相180度操作。取决于各种应用和环境变化，在上述四种操作模式下，第二开关电容器功率转换器104与第三开关电容器功率转换器106之间的相移可以等于大约180度。应当理解，权利要求书所涵盖的设备可能表现出不理想的性能，因此表现出不理想的性能特征。例如，取决于各种应用和环境变化，被配置为以彼此异相大约180度操作的开关电容器转换器可以在大约179度至大约181度的可接受范围内操作。

应当注意的是，通过交换图1所示的输入端口和输出端口，第一开关电容器功率转换系统100可被配置为升压开关电容器功率转换系统。

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第一开关电容器功率转换器的示意图。第一开关电容器功率转换器102包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4和电容器C1。如图2所示，第二开关Q2和第三开关Q3的公共节点是第一输出电压总线VO1。第二输入电压总线VIN2和第二输出电压总线VO2连接在一起，并且进一步连接到接地。

第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4串联连接在第一输入电压总线VIN1与接地之间。在一些实施例中，电容器C1用作飞跨电容器。在整个说明书中，电容器C1可替代地称为第一飞跨电容器C1。

根据一个实施例，开关(例如，开关Q1-Q4)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。替代地，开关元件可以是任何可控开关，诸如绝缘栅双极晶体管(insulatedgate bipolar transistor，IGBT)器件、集成栅换向晶闸管(integrated gate commutatedthyristor，IGCT)器件、栅极关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)器件、可控硅整流器(silicon controlled rectifier，SCR)器件、结栅场效应晶体管(junction gatefield-effect transistor，JFET)器件、MOS控制晶闸管(controlled thyristor，MCT)器件等。

应当注意的是，尽管图2示出了开关Q1-Q4被实现为单个n型晶体管，但是本领域技术人员将认识到可以存在许多变化、修改和替代。例如，取决于不同的应用和设计需求，开关Q1-Q4可被实现为p型晶体管。此外，图2所示的每个开关可被实现为并联连接的多个开关。此外，电容器可与一个开关并联连接以实现零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)。

图3示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第二开关电容器功率转换器的示意图。如图3所示，第二开关电容器功率转换器104包括串联连接在第一输出电压总线VO1与接地之间的开关Q5、Q6、Q7和Q8。第二飞跨电容器C2连接在开关Q5、Q6的公共节点与开关Q7、Q8的公共节点之间。第二开关电容器功率转换器104类似于第一开关电容器功率转换器102，例外为电感器L1连接到开关Q6和Q7的公共节点，如图3所示。

图4示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第三开关电容器功率转换器的示意图。如图4所示，第三开关电容器功率转换器106包括串联连接在第一输出电压总线VO1与接地之间的开关Q9、Q10、Q11和Q12。第三飞跨电容器C3连接在开关Q9、Q10的公共节点与开关Q11、Q12的公共节点之间。第三开关电容器功率转换器106类似于第一开关电容器功率转换器102，例外为电感器L2连接到开关Q10和Q11的公共节点，如图4所示。

图5示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的第一开关电容器功率转换系统的示意图。第一开关电容器功率转换系统100包括级联连接在第一输入电压总线VIN1与第三输出电压总线VO3之间的两个功率转换级。第一功率转换级包括第一开关电容器功率转换器102。第二功率转换级包括并联连接在第一功率转换级的输出(VO3)与第一开关电容器功率转换系统100之间的第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106。输出电容器Co连接在VO3与接地之间。输出电容器Co、电感器L1和电感器L2形成并联连接的两个输出滤波器。

在操作中，第一开关电容器功率转换系统100可以在各种操作模式下操作。下面将参考图6至图18描述各种操作模式的控制机构。

图6示出了根据本公开的各种实施例的在第一操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图。图6的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

第一开关电容器功率转换系统100的一个开关周期可以分为两个阶段，如图6所示。第一阶段是从0到Ts/2，其中，Ts是第一开关电容器功率转换系统100的开关周期。第二阶段是从Ts/2到Ts。

如图6所示，开关Q1和Q3的占空比等于50％。同样，开关Q2、Q4和Q5-Q12的占空比等于50％。在第一开关电容器功率转换器102中，开关Q1和Q3的栅极驱动信号与开关Q2和Q4的栅极驱动信号互补。同样，在第二开关电容器功率转换器104中，开关Q5和Q7的栅极驱动信号与开关Q6和Q8的栅极驱动信号互补。在第三开关电容器功率转换器106中，开关Q9和Q11的栅极驱动信号与开关Q10和Q12的栅极驱动信号互补。第二开关电容器功率转换器104的栅极驱动信号和第三开关电容器功率转换器106的栅极驱动信号彼此异相180度，如图6所示。

此外，Q1、Q3的栅极驱动信号，Q5、Q7的栅极驱动信号和Q10、Q12的栅极驱动信号的前沿彼此竖直地对齐。同样，Q2、Q4的栅极驱动信号，Q6、Q8的栅极驱动信号和Q9、Q11的栅极驱动信号的前沿彼此竖直地对齐。

在第一阶段期间，开关Q2、Q4、Q6、Q8、Q9和Q11断开。开关Q1、Q3、Q5、Q7、Q10和Q12接通，如图6所示。通过接通开关Q1、Q3、Q5、Q7、Q10和Q12，建立了两个导电路径。第一导电路径由开关Q1、第一飞跨电容器C1、开关Q3、开关Q5、第二飞跨电容器C2、开关Q7和电感器L1形成。输入电源通过第一导电路径对飞跨电容器C1、C2和输出VO3充电。在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第二飞跨电容器C2的电容。第一导电路径的谐振回路由串联连接的第一飞跨电容器C1、第二飞跨电容器C2和电感器L1形成。谐振回路的谐振频率(fr1)可用以下等式表达：

在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第一飞跨电容器C1的电容，并且第一飞跨电容器C1的电容远大于第二飞跨电容器C2的电容(Co＞＞C1＞＞C2)。等式(1)可以简化为：

在第一阶段中，第二导电路径由电感器L2、开关Q10、第三飞跨电容器C3和开关Q12形成。存储在第三飞跨电容器C3中的能量用于通过第二导电路径对输出VO3充电。在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第三飞跨电容器C3的电容。第二导电路径的谐振回路由串联连接的第三飞跨电容器C3和电感器L2形成。谐振回路的谐振频率(fr2)可用以下等式表达：

在操作中，开关Q1-Q12的栅极驱动信号是对称的。通过具有对称的栅极驱动信号，可以使飞跨电容器C1、C2和C3两端的电压保持平衡。在一些实施例中，第一开关电容器功率转换系统100的输入电压被定义为Vin。飞跨电容器的直流电压可以用以下等式表达：

Vdc(C1)＝Vin/2 (4)

Vdc(C2)＝Vin/4 (5)

Vdc(C3)＝Vin/4 (6)

在第二阶段中，开关Q1、Q3、Q5、Q7、Q10和Q12断开。开关Q2、Q4、Q6、Q8、Q9和Q11接通，如图6所示。通过接通开关Q2、Q4、Q6、Q8、Q9和Q11，建立了两个导电路径。第一导电路径由开关Q4、第一飞跨电容器C1、开关Q2、开关Q9、第三飞跨电容器C3、开关Q11和电感器L2形成。释放存储在第一飞跨电容器C1中的能量，以通过第一导电路径对第三飞跨电容器C3和输出VO3充电。在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第三飞跨电容器C3的电容。第二导电路径的谐振回路由串联连接的第一飞跨电容器C1、第三飞跨电容器C3和电感器L2形成。谐振回路的谐振频率(fr3)可用以下等式表达：

在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第一飞跨电容器C1的电容，并且第一飞跨电容器C1的电容远大于第三飞跨电容器C3的电容(Co＞＞C1＞＞C3)。等式(7)可以简化为：

在第二阶段中，第二导电路径由电感器L1、开关Q6、第二飞跨电容器C2和开关Q8形成。存储在第二飞跨电容器C2中的能量用于通过第二导电路径对输出VO3充电。在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第二飞跨电容器C2的电容。第二导电路径的谐振回路由串联连接的第二飞跨电容器C2和电感器L1形成。谐振回路的谐振频率(fr4)可用以下等式表达：

第一开关电容器功率转换系统100的谐振频率可以概括为：

在一些实施例中，第一开关电容器功率转换系统100被设计为使得第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106具有相同的设计参数。例如，电感器L1的电感等于电感器L2的电感。第二飞跨电容器C2的电容等于第三飞跨电容器C3的电容。上面的四个谐振频率可以满足以下关系：

为了实现零电压开关，第一开关电容器功率转换系统100的两个级都以等于等式(14)所示的谐振频率(fr)的开关频率进行操作。开关频率可通过以下等式给出：

第一开关电容器功率转换系统100的开关周期可表达为：

如图6所示，第一开关电容器功率转换系统100的开关周期等于Ts，由等式(16)给出。所有开关均以50％的占空比操作。

图7示出了根据本公开的各种实施例的在第一操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形。图7的水平轴线表示时间间隔。存在七个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。第四竖直轴线Y4表示第一飞跨电容器C1两端的电压。第五竖直轴线Y5表示第二飞跨电容器C2两端的电压。第六竖直轴线Y6表示第三飞跨电容器C3两端的电压。第七竖直轴线Y7表示第一开关电容器功率转换系统的输出电压。

图7所示的波形是在以下操作条件下获得的。第一开关电容器功率转换系统100的输入电压等于48V。第一开关电容器功率转换系统100的输出电压等于12V。第一开关电容器功率转换系统100的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换系统100的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于1mF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

图8示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图。图8的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

第一开关电容器功率转换系统100的一个开关周期可以分为两个阶段，如图8所示。第一阶段是从0到Ts/2。第二阶段是从Ts/2到Ts。

如图8所示，开关Q1、Q2、Q3和Q4的占空比小于50％。开关Q5-Q12的占空比等于50％。在第一开关电容器功率转换器102中，在开关Q1和Q3的栅极驱动信号的下降沿与开关Q2和Q4的栅极驱动信号的上升沿之间存在延迟。在第二开关电容器功率转换器104中，开关Q5和Q7的栅极驱动信号与开关Q6和Q8的栅极驱动信号互补。同样，在第三开关电容器功率转换器106中，开关Q9和Q11的栅极驱动信号与开关Q10和Q12的栅极驱动信号互补。第二开关电容器功率转换器104的栅极驱动信号和第三开关电容器功率转换器106的栅极驱动信号彼此异相180度，如图8所示。

在一些实施例中，第一飞跨电容器C1的电容不能满足以上关于图6描述的关系(C1＞＞C3和C1＞＞C2)。如果第一飞跨电容器C1的电容仅是第二飞跨电容器C2的电容和/或第三飞跨电容器C3的电容的两倍或三倍，则第一开关电容器功率转换系统的谐振频率100可表达为：

如等式(17-20)所示，fr1和fr3的谐振频率大于fr2和fr4的谐振频率。为了补偿谐振频率(例如，fr1与fr2)之间的失配，减少了开关Q1、Q2、Q3和Q4的导通时间，如图8的栅极驱动时序图所示。开关Q1、Q2、Q3和Q4的接通时间可表达为：

图9示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形。图9的水平轴线表示时间间隔。存在七个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。第四竖直轴线Y4表示第一飞跨电容器C1两端的电压。第五竖直轴线Y5表示第二飞跨电容器C2两端的电压。第六竖直轴线Y6表示第三飞跨电容器C3两端的电压。第七竖直轴线Y7表示第一开关电容器功率转换系统的输出电压。

图9所示的波形是在以下操作条件下获得的。第一开关电容器功率转换系统100的输入电压等于48V。第一开关电容器功率转换系统100的输出电压等于12V。第一开关电容器功率转换系统100的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换系统100的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于40μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

如图9所示，流过电感器L1的电流具有平坦部分。该平坦部分是通过将减小的占空比施加到第一开关电容器功率转换器102来生成的，如图8所示。这种平坦部分有助于防止电流具有负值，从而提高第一开关电容器功率转换系统100的效率。

图10示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的三种波形。图10的水平轴线表示时间间隔。存在三个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。图10所示的波形类似于图9所示的波形，因此在此不再详细讨论。

图11示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图。图11的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

由于第一开关电容器功率转换系统100的电路对称性，第一级的栅极驱动信号可在时域中偏移Ts/2(相位为180度)，如图11所示。图11所示的栅极时序图的操作原理类似于图8所示的栅极时序图的操作原理，因此在此不再详细讨论。

参考图5，第一开关电容器功率转换系统100包括两级。第一级包括第一开关电容器功率转换器102。第二级包括并联连接在第一开关电容器功率转换器102的输出与负载(未示出)之间的第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106。

在图6和图8所示的操作模式下，第一级配置为2:1降压功率转换器。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106并联连接。第二级的每个功率转换器都配置为2:1降压功率转换器。由于第一级和第二级级联连接，所以第一开关电容器功率转换系统100是4:1降压功率系统。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106具有相同的组件，但以彼此异相180度操作。此外，第一开关电容器功率转换器102、第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以相同的开关频率操作，该开关频率等于或接近上述谐振频率fr1-fr4。

在一些实施例中，第一开关电容器功率转换器102将功率均匀地分配给第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106。第二级的每个功率转换器处理来自第一开关电容器功率转换器102的一半功率。如图5所示，无需在第一级与第二级之间放置笨重的中间总线电容器。这是具有图5所示的第一开关电容器功率转换系统100的一个优点。开关电容器(例如，飞跨电容器C2和C3)的充电和放电电流受到电感器的限制，从而减少了与开关电容器电荷再分配相关联的损耗，从而提高了第一开关电容器功率转换系统100的效率。

图12示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图。图12的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

图12中所示的第三操作模式类似于图6中所示的第一操作模式，例外为在图12中，第一级和第二级以两种不同的开关频率操作。更具体地说，第一级(开关Q1-Q4)的开关频率是第二级(开关Q5-Q12)的开关频率的两倍。

在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第二飞跨电容器C2和第三飞跨电容器C3的电容。谐振频率可通过以下等式表达：

在一些实施例中，L1的电感等于L2的电感。第二飞跨电容器C2的电容等于第三飞跨电容器C3的电容。第一飞跨电容器C1的电容等于第三飞跨电容器C3的电容的三分之一。上面的四个谐振频率可以满足以下关系：

fr1＝fr3＝2×fr2＝2×fr4 (25)

在操作中，第一开关电容器功率转换器102以等于fr1和fr3的开关频率操作。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106以等于fr2和fr4的开关频率操作。换句话说，第一开关电容器功率转换器102的开关频率是第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106的开关频率的两倍。

具有以两种不同的开关频率操作的两级的一个优势特征是第一飞跨电容器C1的电容可小得多，从而降低了第一开关电容器功率转换系统的成本。

图13示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图。图13的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

由于第一开关电容器功率转换系统100的电路对称性，第一级的栅极驱动信号可在时域中偏移Ts/4(相位为180度)，如图13所示。图13所示的栅极时序图的操作原理类似于图12所示的栅极时序图的操作原理，因此在此不再详细讨论。

图14示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形。图14的水平轴线表示时间间隔。存在四个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。四个竖直轴线Y4是第一开关电容器功率转换系统的输出电压。

图14所示的波形是在以下操作条件下获得的。第一开关电容器功率转换系统100的输入电压等于48V。第一开关电容器功率转换系统100的输出电压等于12V。第一开关电容器功率转换系统100的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换器102的开关频率等于400KHz。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于6.8μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

图15示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的栅极时序图。图15的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

图15中所示的第四操作模式类似于图6中所示的第一操作模式，例外为在图15中，第一级和第二级以两种不同的开关频率操作。更具体地说，第二级的开关频率等于第一级的开关频率的三倍。

在一些实施例中，输出电容器Co的电容远大于第二飞跨电容器C2和第三飞跨电容器C3的电容。同样，第一飞跨电容器C1的电容远大于第二飞跨电容器C2和第三飞跨电容器C3的电容。谐振频率可通过以下等式表达：

在一些实施例中，L1的电感等于L2的电感。第二飞跨电容器C2的电容等于第三飞跨电容器C3的电容。上面的四个谐振频率可以满足以下关系：

第二级的开关频率(fs)选择为：

另外，第一飞跨电容器C1的电容应远大于C2和C3的电容，以使第一飞跨电容器C1上的交流电压纹波尽可能小，从而使电感器电流的振幅包络相当平滑。

应当注意的是，尽管图15示出第一级的开关频率等于第二级的开关频率的三分之一，但这仅是示例。根据不同的应用和设计需求，可将第一级的开关频率设置为fs、fs/3，fs/5……fs/N……，其中，N是奇数，fs是第二级的开关频率。将N设置为奇数的一个优势特征是电流可均匀分配在电感器L1与L2之间，而无需大的第一飞跨电容器C1。

图16示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的另一栅极时序图。图16的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示开关Q5和Q7的栅极驱动信号。四个竖直轴线Y4表示开关Q6和Q8的栅极驱动信号。第五竖直轴线Y5表示开关Q9和Q11的栅极驱动信号。第六竖直轴线Y6表示开关Q10和Q12的栅极驱动信号。

由于第一开关电容器功率转换系统100的电路对称性，第一级的栅极驱动信号可在时域中偏移1.5×Ts(相位为180度)，如图15所示。图15所示的栅极时序图的操作原理类似于图14所示的栅极时序图的操作原理，因此在此不再详细讨论。

图17示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的各种波形。图17的水平轴线表示时间间隔。存在九个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流。第四竖直轴线Y4表示流过电感器L2的电流。第五竖直轴线Y5表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。第六竖直轴线Y6表示第一飞跨电容器C1两端的电压。第七竖直轴线Y7表示第二飞跨电容器C2两端的电压。第八竖直轴线Y8表示第三飞跨电容器C3两端的电压。第九竖直轴线Y9表示第一开关电容器功率转换系统的输出电压。

图17所示的波形是在以下操作条件下获得的。第一开关电容器功率转换系统100的输入电压等于48V。第一开关电容器功率转换系统100的输出电压等于12V。第一开关电容器功率转换系统100的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换器102的开关频率等于66.7KHz。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于400μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

图18示出了根据本公开的各种实施例的在第四操作模式下操作的第一开关电容器功率转换系统的六种波形。图18的水平轴线表示时间间隔。存在六个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示开关Q1和Q3的栅极驱动信号。第二竖直轴线Y2表示开关Q2和Q4的栅极驱动信号。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流。第四竖直轴线Y4表示流过电感器L2的电流。第五竖直轴线Y5表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。第六竖直轴线Y6表示第一开关电容器功率转换系统的输出电压。

图18所示的波形是在以下操作条件下获得的。第一开关电容器功率转换系统100的输入电压等于48V。第一开关电容器功率转换系统100的输出电压等于12V。第一开关电容器功率转换系统100的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换器102的开关频率等于66.7KHz。第二开关电容器功率转换器104和第三开关电容器功率转换器106的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于400μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

图19示出了根据本公开的各种实施例的第二开关电容器功率转换系统的框图。图19所示的第二开关电容器功率转换系统200类似于图1所示的第一开关电容器功率转换系统100，例外为第二级由不同的开关电容器功率转换器形成。如图19所示，第二级包括并联连接的第四开关电容器功率转换器114和第五开关电容器功率转换器116。下面将分别参考图20和图21描述第四开关电容器功率转换器114和第五开关电容器功率转换器116的详细结构。

当输入电源连接到第一开关电容器电源转换器的输入，并且负载连接到第四开关电容器功率转换器114和第五开关电容器功率转换器116时，第二开关电容器功率转换系统200被配置为降压功率转换系统。应当注意的是，通过交换图19中所示的输入端口和输出端口，第二开关电容器功率转换系统200可被配置为升压式开关电容器功率转换系统。

图20示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第四开关电容器功率转换器的示意图。图20所示的第四开关电容器功率转换器114类似于图3所示的第二开关电容器功率转换器104，例外为电感器L1和第二飞跨电容器C2串联连接在开关Q5、Q6的公共节点与开关Q7、Q8的公共节点之间。电感器L1和第二飞跨电容器C2形成第四开关电容器功率转换器114的谐振回路。

图21示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第五开关电容器功率转换器的示意图。图21所示的第五开关电容器功率转换器116类似于图4所示的第三开关电容器功率转换器106，例外为电感器L2和第三飞跨电容器C3串联连接在开关Q9、Q10的公共节点与开关Q11、Q12的公共节点之间。电感器L2和第三飞跨电容器C3形成第五开关电容器功率转换器116的谐振回路。

图22示出了根据本公开的各种实施例的图19中所示的第二开关电容器功率转换系统的示意图。第二开关电容器功率转换系统200包括级联连接在第一输入电压总线VIN1与第三输出电压总线VO3之间的两个功率转换级。第一功率转换级包括第一开关电容器功率转换器102。第二功率转换级包括并联连接在第一功率转换级的输出(VO3)与第一开关电容器功率转换系统200之间的第四开关电容器功率转换器114和第五开关电容器功率转换器116。输出电容器Co连接在VO3与接地之间。输出电容器Co、电感器L1和电感器L2形成并联连接的两个输出滤波器。

在操作中，以上关于第一开关电容器功率转换系统100描述的操作模式和相关联的控制机制也适用于图22所示的第二开关电容器功率转换系统200。

图23示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的各种波形。图23的水平轴线表示时间间隔。存在七个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。第四竖直轴线Y4表示第一飞跨电容器C1两端的电压。第五竖直轴线Y5表示第二飞跨电容器C2两端的电压。第六竖直轴线Y6表示第三飞跨电容器C3两端的电压。第七竖直轴线Y7表示第二开关电容器功率转换系统的输出电压。

图23所示的波形是在以下操作条件下获得的。第二开关电容器功率转换系统200的输入电压等于48V。第二开关电容器功率转换系统200的输出电压等于12V。第二开关电容器功率转换系统的输出功率200等于800W。第二开关电容器功率转换系统200的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于40μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

如图23所示，流过电感器L1的电流具有平坦部分。该平坦部分是通过将减小的占空比(如图8所示的减小的占空比)施加到第一开关电容器功率转换器102来生成的。这种平坦部分有助于防止电流具有负值，从而提高第二开关电容器功率转换系统200的效率。

图24示出了根据本公开的各种实施例的在第二操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的三种波形。图24的水平轴线表示时间间隔。存在三个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。图24所示的波形类似于图23所示的波形，因此在此不再详细讨论。

图25示出了根据本公开的各种实施例的在第三操作模式下操作的第二开关电容器功率转换系统的三种波形。图25的水平轴线表示时间间隔。存在四个竖直轴线。第一竖直轴线Y1表示流过电感器L1的电流。第二竖直轴线Y2表示流过电感器L2的电流。第三竖直轴线Y3表示流过电感器L1的电流和流过电感器L2的电流之和。四个竖直轴线Y4是第二开关电容器功率转换系统的输出电压。

图25所示的波形是在以下操作条件下获得的。第二开关电容器功率转换系统200的输入电压等于48V。第二开关电容器功率转换系统200的输出电压等于12V。第二开关电容器功率转换系统200的输出功率等于800W。第一开关电容器功率转换器102的开关频率等于400KHz。第四开关电容器功率转换器114和第五开关电容器功率转换器116的开关频率等于200KHz。第一飞跨电容器C1的电容等于40μF。第二飞跨电容器C2的电容等于20μF。第三飞跨电容器C3的电容等于20μF。电感器L1的电感等于33nH。电感器L2的电感等于33nH。

图26示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第一功率转换单元。图2所示的第一开关电容器功率转换器102被归类为第一功率转换单元Mi，其中，i等于1、2、3……。第一功率转换单元Mi包括串联连接在输入电压总线VIN_i与接地之间的四个开关Q1_i、Q2_i、Q3_i和Q4_i。飞跨电容器Ci连接在开关Q1_i、Q2_i的公共节点与开关Q3_i、Q4_i的公共节点之间。第一功率转换单元Mi的输出VO_i连接到开关Q2_i和Q3_i的公共节点。在整个说明书中，第一功率转换单元Mi可替代地称为功率转换单元Mi。

图27示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第二功率转换单元。图2中所示的第二开关电容器功率转换器104和图3中所示的第三开关电容器功率转换器106被归类为第二功率转换单元Nj，其中，j等于1、2、3……。第二功率转换单元Nj包括串联连接在输入电压总线VIN_j与接地之间的四个开关Q1_j、Q2_j、Q3_j和Q4_j。飞跨电容器Cj连接在开关Q1_j、Q2_j的公共节点与开关Q3_j、Q4_j的公共节点之间。第二功率转换单元Nj的输出VO_j通过电感器Lj连接到开关Q2_j和Q3_j的公共节点。在整个说明书中，第二功率转换单元Nj可替代地称为功率转换单元Nj。

图28示出了根据本公开的各种实施例的多级开关电容器功率转换系统的第三功率转换单元。图20所示的第四开关电容器功率转换器114和图21所示的第五开关电容器功率转换器116被归类为第三功率转换单元Pk，其中，k等于1、2、3……k。第三功率转换单元Pk包括串联连接在输入电压总线VIN_k与接地之间的四个开关Q1_k、Q2_k、Q3_k和Q4_k。飞跨电容器Ck和电感器Lk串联连接在开关Q1_k、Q2_k的公共节点与开关Q3_k、Q4_k的公共节点之间。第三功率转换单元Pk的输出VO_k连接到开关Q2_k和Q3_k的公共节点。在整个说明书中，第一功率转换单元Pk可替代地称为功率转换单元Pk。

图29示出了根据本公开的各种实施例的第一两级开关电容器功率转换系统。第一两级开关电容器功率转换系统2900包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级和第二级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括并联连接在第一功率转换单元M1的输出与输出电压端子VO之间的第一功率转换单元N1和第二功率转换单元N2。第一两级开关电容器功率转换系统2900是4:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第一两级开关电容器功率转换系统2900。

图30示出了根据本公开的各种实施例的第二两级开关电容器功率转换系统。第二两级开关电容器功率转换系统3000包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级和第二级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括并联连接在第一功率转换单元M1的输出与输出电压端子VO之间的第一功率转换单元P1和第二功率转换单元P2。第二两级开关电容器功率转换系统3000是4:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第二两级开关电容器功率转换系统3000。

图31示出了根据本公开的各种实施例的第一三级开关电容器功率转换系统。第一三级开关电容器功率转换系统3100包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级、第二级和第三级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括第二转换单元M2和第三功率转换单元M3。第二转换单元M2和第三功率转换单元M3的输入连接在一起，并且进一步连接到第一功率转换单元M1的输出。

第三级包括第一功率转换单元N1、第二功率转换单元N2、第三功率转换单元N3和第四功率转换单元N4。第一功率转换单元N1和第二功率转换单元N2并联连接在第二功率转换单元M2的输出与输出电压端子VO之间。第三功率转换单元N3和第四功率转换单元N4并联连接在第二功率转换单元M2的输出与输出电压端子VO之间。

第一三级开关电容器功率转换系统3100是8:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第一三级开关电容器功率转换系统3100。

图32示出了根据本公开的各种实施例的第二三级开关电容器功率转换系统。第二三级开关电容器功率转换系统3200包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级、第二级和第三级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括第二转换单元M2和第三功率转换单元M3。第二转换单元M2和第三功率转换单元M3的输入连接在一起，并且进一步连接到第一功率转换单元M1的输出。

第三级包括第一功率转换单元P1、第二功率转换单元P2、第三功率转换单元P3和第四功率转换单元P4。第一功率转换单元P1和第二功率转换单元P2并联连接在第二功率转换单元M2的输出与输出电压端子VO之间。第三功率转换单元P3和第四功率转换单元P4并联连接在第二功率转换单元M2的输出与输出电压端子VO之间。

第二三级开关电容器功率转换系统3200是8:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第二三级开关电容器功率转换系统3200。

图33示出了根据本公开的各种实施例的第一四级开关电容器功率转换系统。第一四级开关电容器功率转换系统3300包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级、第二级、第三级和第四级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括第二转换单元M2和第三功率转换单元M3。第二转换单元M2和第三功率转换单元M3的输入连接在一起，并且进一步连接到第一功率转换单元M1的输出。

第三级包括第四功率转换单元M4、第五功率转换单元M5、第六功率转换单元M6和第七功率转换单元M7。如图33所示，第四功率转换单元M4和第五功率转换单元M5的输入连接在一起，并且进一步连接到第二功率转换单元M2的输出。同样，第六功率转换单元M6和第七功率转换单元M7的输入连接在一起，并且进一步连接到第三功率转换单元M3的输出。

第四级包括第一功率转换单元N1、第二功率转换单元N2、第三功率转换单元N3、第四功率转换单元N4、第五功率转换单元N5、第六功率转换单元N6、第七功率转换单元N7和第八功率转换单元N8。如图33所示，第一功率转换单元N1和第二功率转换单元N2并联连接在第四功率转换单元M4的输出与输出电压端子VO之间。第三功率转换单元N3和第四功率转换单元N4并联连接在第五功率转换单元M5的输出与输出电压端子VO之间。第五功率转换单元N5和第六功率转换单元N6并联连接在第六功率转换单元M6的输出与输出电压端子VO之间。第七功率转换单元N7和第八功率转换单元N8并联连接在第七功率转换单元M7的输出与输出电压端子VO之间。

第一四级开关电容器功率转换系统3300是16:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第一四级开关电容器功率转换系统3300。

图34示出了根据本公开的各种实施例的第二四级开关电容器功率转换系统。第二四级开关电容器功率转换系统3400包括级联连接在输入电压VIN与输出电压端子VO之间的第一级、第二级、第三级和第四级。第一级被实现为第一功率转换单元M1。第二级包括第二转换单元M2和第三功率转换单元M3。第二转换单元M2和第三功率转换单元M3的输入连接在一起，并且进一步连接到第一功率转换单元M1的输出。

第三级包括第四功率转换单元M4、第五功率转换单元M5、第六功率转换单元M6和第七功率转换单元M7。如图34所示，第四功率转换单元M4和第五功率转换单元M5的输入连接在一起，并且进一步连接到第二功率转换单元M2的输出。同样，第六功率转换单元M6和第七功率转换单元M7的输入连接在一起，并且进一步连接到第三功率转换单元M3的输出。

第四级包括第一功率转换单元P1、第二功率转换单元P2、第三功率转换单元P3、第四功率转换单元P4、第五功率转换单元P5、第六功率转换单元P6、第七功率转换单元P7和第八功率转换单元P8。如图34所示，第一功率转换单元P1和第二功率转换单元P2并联连接在第四功率转换单元M4的输出与输出电压端子VO之间。第三功率转换单元P3和第四功率转换单元P4并联连接在第五功率转换单元M5的输出与输出电压端子VO之间。第五功率转换单元P5和第六功率转换单元P6并联连接在第六功率转换单元M6的输出与输出电压端子VO之间。第七功率转换单元P7和第八功率转换单元P8并联连接在第七功率转换单元M7的输出与输出电压端子VO之间。

第二四级开关电容器功率转换系统3400是16:1降压功率转换系统。上述四种操作模式适用于第二四级开关电容器功率转换系统3400。

应当注意的是，图29至图34所示的多级开关电容器功率转换系统仅是示例。本领域技术人员将理解，图29至图34所示的结构可进一步扩展到任何其他合适的开关电容器功率转换系统，诸如32:1降压功率转换系统。

还应当注意的是，通过交换图29至图34所示的输入端口和输出端口，可将本文提出的所有降压开关电容器谐振转换器配置为升压开关电容器谐振转换器。此外，也可对上述操作模式和相关联的控制方法进行一些修改，以用于升压开关电容器谐振转换器。

尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本应用的范围并不旨在限制于本说明书中描述的工艺、机器、制造、物质成分、方式、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解，根据本发明可以利用与本文所述的对应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的目前存在或以后将要开发的工艺、机器、制造、物质成分、方式、方法或步骤。因此，附图旨在包括其范围内的工艺、机器、制造、物质成分、方式、方法或步骤。因此，说明书和附图应仅被视为由所附权利要求书限定的对本发明的说明，并且预期涵盖落入本公开范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同物。