CN107769553A - 功率转换电路及其操作方法 - Google Patents

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CN107769553A CN201710475239.8A CN201710475239A CN107769553A CN 107769553 A CN107769553 A CN 107769553A CN 201710475239 A CN201710475239 A CN 201710475239A CN 107769553 A CN107769553 A CN 107769553A
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Abstract

本发明公开功率转换电路，包括：输入端；第一开关元件，包括在输入端和第一节点间的一对第一端和第一控制端；第二开关元件，包括在第一节点和第二节点间的一对第二端和第二控制端；第三开关元件，包括在第二节点和第三节点间的一对第三端和第三控制端；第四开关元件，包括在第三节点和地间的一对第四端和第四控制端；电容器，在第一节点和第三节点之间；电感器，在第二节点和负载间；控制器，分别通过第一至第四控制端控制第一至第四开关元件导通或断开，使负载的电压重复地经由执行(1)‑(2)调节，(1)对电容器充电使第二电流流入电感器前，用第一电流对电感器充电；(2)对电容器放电使第四电流流入电感器前，用第三电流对电感器充电。

Description

功率转换电路及其操作方法
【技术领域】
本发明涉及功率转换技术领域，尤指一种功率转换电路及操作功率转换电路的方法。
【背景技术】
各种各样的电子设备，例如，计算机和移动电话，由稳定的直流电源供电。功率转换电路，例如直流-直流转换器，通过晶体管的开关操作将来自电池或另一个电源的高电压输入转换为期望的输出电压来对电容器进行充电或者放电。
由于电子设备变得越来越小，越来越轻以及更加紧凑，有必要改善专用功率转换电路的尺寸和性能。增加功率转换电路的切换频率(switching frequency)成为减小大的被动器件的尺寸及成本的现有主要解决方案。但是，功率转换电路的切换频率增加，切换损耗也会随之增加。
此外，功率处理性能(power handing performance)通常受功率转换电路中使用的谐振器件(例如，电容器和电感器)的规格的限制。当谐振器件的尺寸变小，功率转换电路的功率处理性能可能恶化。也即，在功率转换电路的切换频率和功率处理性能之间存在取舍关系。
【发明内容】
根据本发明的实施例，揭露一种功率转换电路及其操作方法，可使传输至负载的功率的等级不受包括电感器和电容器的谐振回路的特性的限制。
根据本发明的第一实施例，揭露一种功率转换电路，其可包括：输入端，耦接一个输入电压；第一开关元件，所述第一开关元件包括一对第一端和第一控制端，其中所述一对第一端耦接于所述输入端和第一节点之间；第二开关元件，所述第二开关元件包括一对第二端和第二控制端，其中所述一对第二端耦接于所述第一节点和第二节点之间；第三开关元件，所述第三开关元件包括一对第三端和第三控制端，其中所述一对第三端耦接于所述第二节点和第三节点之间；第四开关元件，所述第四开关元件包括一对第四端和第四控制端，其中所述一对第四端耦接于所述第三节点和接地端之间；电容器，耦接于所述第一节点和所述第三节点之间；电感器，耦接于所述第二节点和负载之间；以及控制器，用于分别通过所述第一控制端、所述第二控制端、所述第三控制端以及所述第四控制端控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件导通或者断开，以便负载处的电压重复地经由执行(1)-(2)来调节，其中所述(1)包括在对电容器充电而使第二电流流入所述电感器之前，使用第一电流对所述电感器进行充电；其中，所述(2)包括在对电容器放电而使第四电流流入所述电感器之前，使用第三电流对所述电感器进行充电。
根据本发明的第二实施例，操作本发明所提供的功率转换电路的方法，所述方法可包括：提供所述输入电压给所述功率转换电路的输入端；通过所述控制器改变所述第一至第四开关元件的导通或者断开状态，以便负载处的电压重复地经由执行(1)-(2)来调节，其中所述(1)包括在对电容器充电而使第二电流流入所述电感器之前，使用第一电流对所述电感器进行充电；其中，所述(2)包括在对电容器放电而使第四电流流入所述电感器之前，使用第三电流对所述电感器进行充电。
通过以上所述实施例，本发明传输至负载的功率的等级不受包括电感器和电容器的谐振回路的特性的限制。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器和电容器的尺寸减小的情形下也是如此)。
【附图说明】
图1根据本发明的一个实施例示出功率转换电路10的电路结构示意图。
图2根据本发明的一个实施例示出功率转换电路10的一个示例性的切换顺序。
图3A-3H为功率转换电路10在所述切换顺序的不同阶段的电路配置。
图4根据本发明的一个实施例示出功率转换电路40的电路配置。
图5根据本发明的一个实施例示出功率转换电路40的一个示例性的切换顺序。
图6A-6F为功率转换电路40在所述切换顺序的不同阶段的电路配置。
图7根据本发明的一个实施例示出功率切换电路10操作在DVFS模式且从负载11吸收功率的示例性的切换顺序图。
图8A-8F为功率切换电路10在对应所述DVFS模式的所述切换顺序的各个阶段的电路配置。
图9A和图9B示出功率转换电路10的轻负载操作的两个阶段。
图10示出Vin小于2*Vout时，功率转换电路10的电容器Cr和电感器Lo在不同的预定等级条件下(例如，分别在图2中的步骤208和224选择的预定等级Ith1和Ith2)的电压和电流的时序图。
【具体实施方式】
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」是为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或者通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
图1根据本发明的一个实施例示出功率转换电路10的电路结构示意图。所示的功率转换电路10例如可称之为直流-直流转换器或谐振转换器，用于将输入电压(Vin)转换为比所述输入电压低的输出电压(Vout)，并输出所述输出电压至负载11。
功率转换电路10包括输入端Nin、第一开关元件M1、第二开关元件M2、第三开关元件M3、第四开关元件M4、电感器Lo、电容器Cr、Co以及控制器12。输入端Nin接收Vin。开关元件M1-M4中的每一个可为任意类型的固态晶体管，例如场效应晶体管(Field EffectTransistor，FET)。
第一开关元件M1包括一对第一端(例如，源极或漏极)和第一控制端(例如，栅极)，其中，所述一对第一端连接在所述输入端Nin和第一节点N1之间。第二开关元件M2包括一对第二端(例如，源极或漏极)和第二控制端(例如，栅极)，其中，所述一对第二端耦接在所述第一节点N1和第二节点N2之间。第三开关元件M3包括一对第三端(例如，源极或漏极)和第三控制端(例如，栅极)，其中，所述一对第三端耦接在所述第二节点N2和第三节点N3之间。第四开关元件M4包括一对第四端(例如，源极或漏极)和第四控制端(例如，栅极)，其中，所述一对第四端耦接在所述第三节点N3和地之间。电容器Cr耦接于第一节点N1和第三节点N3之间。电感器Lo耦接在第二节点N2和输出节点Nout之间，节点Nout耦接负载11和输出电容器Co。
在一个实施例中，控制器12分别通过所述第一、第二、第三以及第四控制端控制第一、第二、第三以及第四开关元件M1-M4导通(switch on)或断开(switch off)。例如，控制器12可接收一个或多个指令CMD并通过相应的控制端传输信号来控制功率转换电路10中的开关元件(例如，第一至第四开关元件M1-M4)的操作。
控制器12可通过重复执行(1)-(2)的操作来调节输出节点Nout处的电压Vout，(1)在对电容器Cr充电而使第二电流流入电感器Lo之前，使用第一电流对电感器Lo进行充电；(2)在对电容器Cr放电而使第四电流流入电感器Lo之前，使用第三电流对电感器Lo进行充电。
例如，控制器12可按照第一切换顺序控制第一至第四开关元件M1-M4，所述第一切换序列为：通过包括第一开关元件M1、第二开关元件M2以及电感器Lo的第一导电路径将功率传输至负载11，使第一电流流入电感器Lo；当所述第一电流到达预定等级，通过包括第一开关元件M1，电容器Cr、第三开关元件M3以及电感器Lo的第二导电路径将功率传输至负载11，以便对电容器Cr进行充电以及使第二电流流入电感器Lo。
控制器12可进一步按照第二切换顺序控制第一至第四开关元件M1-M4，所述第二切换序列为：当电感器Lo的电流近似为0时，通过将第二节点N2从输入端Nin断开来进入待机状态；在所述待机状态中，当跨越第二开关元件M2的所述一对第二端的电压(也即，第二开关元件M2的漏极-源极电压Vds)小于电压阈值，通过包括第一开关元件M1、第二开关元件M2以及电感器Lo的第三导电路径将功率传输至负载11，使第三电流流入电感Lo；而当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括第四开关元件M4，电容器Cr、第二开关元件M2以及电感器Lo的第四导电路径将功率传输至负载11，以便对电容器Cr进行放电以及使第四电流流入电感器Lo。
图2根据本发明的一个实施例示出功率转换电路10的一个示例性的切换顺序。图3A-3H为功率转换电路10在所述切换顺序的不同阶段的电路配置。为了避免描述，在这些附图中，由导通的开关元件形成的导电路径使用虚线箭头表示。
请参考图2和图3A。在步骤202，功率转换电路10操作在阶段0，在该阶段，控制器12通过导通第二和第三开关元件M2，M3，断开第一和第四开关元件M1，M4来形成导电路径302。在阶段0，电容器Cr处于短路状态，允许电容器Cr中的残余电荷被清零。
在步骤204，在控制器12将第一至第四开关元件M1-M4的状态设置为阶段0中它们各自的状态后，控制器12判断功率转换电路10的电压Vout是否小于电压阈值Vth1。如果判断结果为是，切换顺序变为步骤206。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述电压Vout，直到Vout小于Vth1。
在一个实施例中，控制器12可周期地检测Vout并将其与Vth1进行比较。作为可选的步骤，控制器12可接收指示Vout降低为小于Vth1的信号(例如，来自比较器的信号)，并作出相应的响应。
请参考图2和图3B。在步骤206，功率转换电路10切换至阶段1，在阶段1，控制器12通过导通第一、第二以及第三开关元件M1-M3，断开第四开关元件M4形成导电路径304。如图3A和3B所示，当功率转换电路10从阶段0切换为阶段1，仅第一开关元件M1的状态从断开变化为导通，其他开关元件(例如第二、第三以及第四开关元件)的状态并未发生变化。
在阶段1，直接将Vin提供给第二节点N2，导致增加的电流(在该实施例中称之为“第一电流”)流入电感器Lo。此时，电容器Cr仍处于短路状态。
由于在阶段1功率通过线性增加的第一电流而非受电感电容谐振回路(包括电容器Cr和电感器Lo)控制的电流传输至负载11，传输至负载11的功率的等级不限定为电感与电容的比值(例如，L/C，其中，L表示电感器Lo的电感值，C表示电容器Cr的电容值)。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器Lo和电容器Cr的尺寸减小的情形下也是如此)。
在步骤208，在控制器12将第一至第四开关元件M1-M4的状态各自设置为阶段1中的状态，控制器12判断所述第一电流是否到达预定等级(例如，Ith1)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤210。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第一电流，直到所述第一电流的值到达Ith1。
在一个实施例中，控制器12可周期地检测第一电流并将其与Ith1进行比较。作为可选的步骤，控制器12可接收指示第一电流到达Ith1的信号(例如，来自比较器的信号)，并作出相应的响应。
接着，请参考图2和3C。在步骤210，功率转换电路10切换至阶段2。在阶段2，控制器12通过导通第一和第三开关元件M1，M3，断开第二和第四开关元件M2，M4形成导电路径306。如图3B和3C所示，当功率转换电路10从阶段1切换为阶段2，仅第二开关元件M2的状态从导通变化为断开，其他开关元件(例如，第一、第三以及第四开关元件M1，M3-M4)的状态保持不变。
在阶段2，通过第一开关元件M1将输入电压Vin直接提供给第一节点N1。因此，在上一阶段完全放电的电容器Cr，开始充电，导致一个电流(在本实施例中可称之为“第二电流”)流入电感器Lo。作为举例，电容器Cr可充电一个时间常数，所述时间常数由包括电容器Cr和电感器Lo的谐振回路的电感电容值(也即，LC value)确定。
在步骤212，控制器12判断电容器Cr两端的电压Vcr是否约等于Vin。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤214。如果判断结果为否，控制器12继续判断Vcr直到Vcr约等于Vin。
请参考图2和图3D。在步骤214，功率转换电路10切换为阶段3。在阶段3，控制器12通过导通第一、第三以及第四开关元件M1，M3-M4，断开第二开关元件M2形成导电路径308。如图3C和3D所示，当功率转换电路10从阶段2切换为阶段3，仅第四开关元件M4的状态从断开变化为导通，其他开关元件(例如，第一、第二以及第三开关元件M1-M3)的状态保持不变。
在阶段3，电感器Lo通过接地端短路，导致电感器Lo上剩余的电流快速地放电。
在配置了第一至第四开关元件M1-M4的状态后，切换机制进入步骤216。在步骤216，判断电感器Lo的电流。如果控制器12判断出电感器Lo中的电流约等于0，切换顺序进入步骤218；反之，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到所述电流约等于0。
接着，请参考图2和3E。在步骤218，功率转换电路10切换至阶段4。在阶段4，控制器12通过导通第一和第四开关元件M1，M4，断开第二和第三开关元件M2，M3形成导电路径310。如图3D和3E所示，当功率转换电路10从阶段3切换为阶段4，仅第三开关元件M3的状态从导通变化为断开，其他开关元件(例如，第一、第二以及第四开关元件M1-M2，M4)的状态保持不变。
在阶段4，功率转换电路10等效为进入第二节点N2从输入端Nin断开的待机状态。在此情形下，电感器Lo与功率转换电路10的其他部分解耦合，以便功率转换电路10停止传输功率至负载11。
接着，在步骤220，控制器12判断第二开关元件M2的电压Vds是否小于电压阈值Vth2。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤222。如果判断结果为否，控制器12继续判断Vds直到其变为低于Vth2。
在一个实施例中，控制器12可周期地检测Vds并将其与Vth2进行比较。作为可选的步骤，控制器12可接收指示Vds小于Vth2的信号(例如，来自比较器的信号)，并作出相应的响应。
请参考图2和图3F，在步骤222，功率转换电路10切换至阶段5。在阶段5，控制器12通过导通第一、第二和第四开关元件M1-M2，M4，断开第三开关元件M3形成导电路径312。如图3E和3F所示，当功率转换电路10从阶段4切换为阶段5，仅第二开关元件M2的状态从断开变化为导通，其他开关元件(例如，第一、第三以及第四开关元件M1，M3-M4)的状态保持不变。
可合理选择阈值Vth2的值使第二开关元件M2发生谷底切换，由此第二开关元件M2在所述一对第二端两端之间的电压相对较小(例如，约等于0V)时导通。在此情形下，第二开关元件M2的导通损耗被降低。
与前述的阶段1-4相比，阶段5-7为传输功率至负载11的另半个周期。如图所示，在周期5，通过第一和第二开关元件M1-M2将Vin直接提供给第二节点N2，导致增加的电流(在本实施例中，可称之为“第三电流”)流入电感器Lo。
由于在阶段5功率通过线性增加的第三电流而非受电感电容谐振回路(包括电容器Cr和电感器Lo)控制的电流传输至负载11，传输至负载11的功率的等级不限定为电感与电容的比值(例如，L/C，其中，L表示电感器Lo的电感值，C表示电容器Cr的电容值)。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器Lo和电容器Cr的尺寸减小的情形下也是如此)。
在步骤224，在控制器12将第一至第四开关元件M1-M4的状态各自设置为阶段5中的状态，控制器12判断所述第三电流是否到达预定等级(例如，Ith2)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤226。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第三电流，直到所述第三电流的值到达Ith2。
在一些实施例中，依赖于各种应用的要求，Ith2的值可不依赖于Ith1。也即，分别出现在步骤208和224中的两个电流阈值Ith1和Ith2可相同或者不同。
在一个实施例中，控制器12可周期地检测第三电流并将其与Ith2进行比较。作为可选的步骤，控制器12可接收指示第三电流到达Ith2的信号(例如，来自比较器的信号)，并作出相应的响应。
接着，请参考图2和3G。在步骤226，功率转换电路10切换至阶段6。在阶段6，控制器12通过导通第二和第四开关元件M2，M4，断开第一和第三开关元件M1，M3形成导电路径314。如图3F和3G所示，当功率转换电路10从阶段5切换为阶段6，仅第一开关元件M1的状态从导通变化为断开，其他开关元件(例如，第二、第三以及第四开关元件M2-M4)的状态保持不变。
在阶段6，电容器Cr耦接在电感器Lo和地之间，允许通过电感器Lo将存储在电容器Cr中的电荷放电至负载11。当电容器Cr开始放电，且电感器Lo中到达预定等级Ith2的第三电流开始增加至第四电流。换言之，由于在阶段6电容器Cr与电感器Lo谐振，电容器Cr的放电使电感器Lo中的电流增加。
在步骤228，控制器12判断电容器Cr两端的电压Vcr是否约等于0V。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤230。如果判断结果为否，控制器12继续判断Vcr直到Vcr约等于0V。
请参考图2和图3H。在步骤230，功率转换电路10切换为阶段7。在阶段7，控制器12通过导通第二、第三以及第四开关元件M2-M4，断开第一开关元件M1形成导电路径316。如图3G和3H所示，当功率转换电路10从阶段6切换为阶段7，仅第三开关元件M3的状态从断开变化为导通，其他开关元件(例如，第一、第二以及第四开关元件M1-M2，M4)的状态保持不变。
在阶段7，电感器Lo通过接地端短路，导致电感器Lo上剩余的电流快速地放电。
在步骤232，控制器12判断电感器Lo的电流是否约等于0。如果控制器12判断出电感器Lo中的电流约等于0，切换顺序进入步骤202；反之，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到所述电流约等于0。
如图3A-3H所示，在一个示例性的切换顺利中，可通过重复执行(1)-(2)的操作来调节负载11处的电压，(1)在对电容器Cr充电而使第二电流流入电感器Lo之前，使用具有预定等级Ith1的第一电流对电感器Lo进行充电；(2)在对电容器Cr放电而使第四电流流入电感器Lo之前，使用具有预定等级Ith2的第三电流对电感器Lo进行充电。通过这样的方式，传输至负载11的功率的等级不受包括电感器Lo和电容器Cr的谐振回路的特性的限制。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器Lo和电容器Cr的尺寸减小的情形下也是如此)。此外，由于电感器Lo分别在阶段1和阶段5通过第一和第三电流进行了预充电，电容器Cr上的电荷在一个完整的周期的两端(阶段0和阶段7)能达到平衡，由此减少了每一个周期的额外的损耗。此外，当功率转换电路10从一个阶段切换为另一个阶段时，仅一个开关元件的状态需要被改变，由此切换损耗可降低为最小。
图4根据本发明的一个实施例示出功率转换电路40的电路配置。相较于前面描述的功率转换电路10，功率转换电路40还包括第五开关元件M5，第五开关元件M5包括一对第五端和一个第五控制端，其中，所述一对第五端耦接于输入端Nin和第二节点N2之间。控制器12通过第五控制信号控制第五开关元件M5的导通和断开状态。
图5根据本发明的一个实施例示出功率转换电路40的一个示例性的切换顺序。图6A-6F为功率转换电路40在所述切换顺序的不同阶段的电路配置。为了避免描述，在这些附图中，由导通的开关元件形成的导电路径使用虚线箭头表示。
请参考图5和图6A。在步骤502，功率转换电路40操作在阶段0，在该阶段，控制器12通过导通第二和第三开关元件M2，M3，断开第一、第四以及第五开关元件M1，M4-M5来形成导电路径602。在阶段0，电容器Cr处于短路状态，允许电容器Cr中的残余电荷被清零。
在步骤504，在控制器12将第一至第五开关元件M1-M5的状态设置为阶段0中它们各自的状态后，控制器12判断功率转换电路40的输出节点Nout处的电压Vout是否小于电压阈值Vth1’。如果判断结果为是，切换顺序变为步骤506。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述电压Vout，直到Vout小于Vth1’。
请参考图5和图6B。在步骤506，功率转换电路40切换至阶段1，在阶段1，控制器12通过导通第五开关元件M5，断开第一至四开关元件M1-M4形成导电路径604。
在阶段1，直接将功率转换电路40的输入端Nin上提供的Vin通过第五开关元件M5提供给第二节点N2，导致增加的电流(在该实施例中称之为“第一电流”)流入电感器Lo。由于在阶段1功率通过线性增加的第一电流而非受电感电容谐振回路(包括电容器Cr和电感器Lo)控制的电流传输至负载11，传输至负载11的功率的等级不限定为电感与电容的比值(例如，L/C，其中，L表示电感器Lo的电感值，C表示电容器Cr的电容值)。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器Lo和电容器Cr的尺寸减小的情形下也是如此)。
在步骤508，在控制器12判断电感器Lo中的所述第一电流是否到达预定等级(例如，Ith1’)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤510。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第一电流，直到所述第一电流的值到达Ith1’。
接着，请参考图5和6C。在步骤510，功率转换电路40切换至阶段2。在阶段2，控制器12通过导通第一和第三开关元件M1，M3，断开第二、第四以及第五开关元件M2，M4-M5形成导电路径606。
在阶段2，将输入电压Vin直接提供给第一节点N1。因此，在上一阶段完全放电的电容器Cr，开始充电，导致一个电流(在本实施例中可称之为“第二电流”)流入电感器Lo。
在步骤512，控制器12判断电感器Lo中的电流是否约等于0。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤514。如果判断结果为否，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到电流约等于0。
请参考图5和图6D。在步骤514，功率转换电路40切换为阶段3。在阶段3，控制器12进入待机状态，在待机状态下，电感器Lo与功率转换电路40的其他部分解耦合，以便功率转换电路40停止将功率传输至负载11。在此情形下，电容器Cr的一端通过包括导通的第一开关元件M1的导电回路608耦接于输入端Nin。
在一些实施例中，功率转换电路40的阶段3可包括一个或多个子阶段(例如，前面所述的功率转换电路10的阶段3和阶段4)。
接着，在步骤516，控制器12判断第二开关元件M2的所述一对第二端之间的电压差Vds是否小于阈值电压Vth2’。如果判断结果为是，切换顺序进入步骤518；反之，控制器12继续判断电压Vds直到所述Vds小于Vth2’。
接着，请参考图5和6E。在步骤518，功率转换电路40切换至阶段4。在阶段4，控制器12通过导通第五开关元件M5，断开第一至第四开关元件M1-M4形成导电路径610。
类似于前面描述的阶段1，在阶段4，通过第五开关元件M5将电压Vin直接提供给第二节点N2，导致增加的电流(在本实施例中，可称之为“第三电流”)而非由包括电容器Cr和电感器Lo的电感电容谐振回路控制的电流流入电感器Lo。因此，功率处理能力得到改善(即使在电感器Lo和电容器Cr的尺寸减小的情形下也是如此)。
在步骤520，控制器12判断电感器Lo中的所述第三电流是否到达预定等级(例如，Ith2’)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤522。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第三电流，直到所述第三电流的值到达Ith2’。
请参考图5和6F。在步骤522，功率转换电路40切换至阶段5。在阶段5，控制器12通过导通第二和第四开关元件M2，M4，断开第一、第三以及第五开关元件M1，M3以及M5形成导电路径612。
在阶段5，电容器Cr耦接在电感器Lo和地之间，允许通过电感器Lo将存储在电容器Cr中的电荷放电至负载11。当电容器Cr开始放电，电感器Lo中的第三电流开始增加至第四电流。换言之，由于在阶段5电容器Cr与电感器Lo谐振，电容器Cr的放电使电感器Lo中的电流增加。
在步骤524，控制器12判断电感器Lo中的电流是否约等于0。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤502。如果判断结果为否，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到所述电流约等于0。
在一些实施例中，功率转换电路可操作在动态电压频率调整(Dynamic VoltageAnd Frequency Scaling，DVFS)模式且当负载具有比预定电压阈值高的电压时，从所述负载吸收功率。
以功率转换电路10为例，控制器12还用于根据用于DVFS操作的命令CMD按照第三切换顺序控制所述多个开关元件，所述第三切换顺序包括：通过包括电感器Lo、第三以及第四开关元件M3-M4的第一导电路径从负载12吸收功率，以便第一电流流入电感器Lo；当所述第一电流到达预定等级，通过包括电感器Lo、第二开关元件M2、电容器Cr以及第四开关元件M4的第二导电路径从负载11吸收功率，以便第二电流入电感器Lo。
图7根据本发明的一个实施例示出功率切换电路10操作在DVFS模式且从负载11吸收功率的示例性的切换顺序图。图8A-8F为功率切换电路10在对应所述DVFS模式的所述切换顺序的各个阶段的电路配置。为了避免描述，在这些附图中，由导通的开关元件形成的导电路径使用虚线箭头表示。
请参考图7和图8A。在步骤702，功率转换电路10操作在阶段0，在该阶段，控制器12通过导通第二和第三开关元件M2，M3，断开第一和第四开关元件M1，M4来形成导电路径802。在阶段0，电容器Cr处于短路状态，允许电容器Cr中的残余电荷被清零。
在步骤704，在控制器12将第一至第四开关元件M1-M4的状态设置为阶段0中它们各自的状态后，控制器12判断功率转换电路10的输出节点Nout处的电压Vout是否大于电压阈值Vth1”。如果判断结果为是，切换顺序变为步骤706。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述电压Vout，直到Vout大于Vth1”。
请参考图7和图8B。在步骤706，功率转换电路10切换至阶段1，在阶段1，控制器12通过导通第二至第四开关元件M2-M4，断开第一开关元件M1形成导电路径804。
在阶段1，功率转换电路10的输出节点Nout处的电压Vout相对较高，导致增加的电流(在该实施例中称之为“第一电流”)通过电感器Lo从输出节点Nout流至地端。在该情形下，将功率从负载11传输至功率转换电路10。也即，功率转换电路10从负载11吸收功率。
在步骤708，控制器12判断电感器Lo中的所述第一电流是否到达预定等级(例如，Ith1”)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤710。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第一电流，直到所述第一电流的值到达Ith1”。
接着，请参考图7和8C。在步骤710，功率转换电路10切换至阶段2。在阶段2，控制器12通过导通第二和第四开关元件M2，M4，断开第一和第三开关元件M1，M3形成导电路径806。
在阶段2，电容器Cr与电感器Lo谐振，导致一个电流(在本实施例中可称之为“第二电流”)流入电感器Lo。
接着，在步骤712，控制器12判断电感器Lo中的电流是否约等于0。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤714。如果判断结果为否，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到电流约等于0。
请参考图7和图8D。在步骤714，功率转换电路10切换为阶段3。在阶段3，控制器12进入待机状态，在待机状态下，电感器Lo与功率转换电路10的其他部分解耦合，以便负载11停止将功率传输至功率转换电路10。在此情形下，电容器Cr的一端通过包括导通的第四开关元件M4的导电回路808短路至地。
在步骤716，控制器12判断Vout是否大于阈值电压Vth2”。如果判断结果为是，切换顺序进入步骤718；反之，控制器12继续判断电压Vout直到所述Vds大于Vth2’。
在一些实施例中，依赖于各种应用的要求，Vth2”的值可不依赖于步骤704所述的Vth1”。也即，分别出现在步骤708和716中的两个电压阈值Vth1”和Vth2”可相同或者不同。
请参考图7和8E。在步骤718，功率转换电路10切换至阶段4。在阶段4，控制器12通过导通第三至第四开关元件M3-M4，断开第一至第二开关元件M1-M2形成导电路径810。
类似于前面描述的阶段1，在阶段4，Vout相对较高，导致增加的电流(在本实施例中，可称之为“第三电流”)而非由包括电容器Cr和电感器Lo的电感电容谐振回路控制的电流通过电感器Lo从输出节点Nout流入接地端。在此情形下，功率再次从负载11传输至功率转换电路10。
接着，在步骤720，控制器12判断电感器Lo中的所述第三电流是否到达预定等级(例如，Ith2”)。如果判断结果为是，切换顺序发展至步骤722。如果判断结果为否，控制器12继续判断所述第三电流，直到所述第三电流的值到达Ith2”。
请参考图7和8F。在步骤722，功率转换电路10切换至阶段5。在阶段5，控制器12通过导通第一和第三开关元件M1，M3，断开第二、第四开关元件M2，M4形成导电路径812。
在阶段5，电容器Cr耦接在电感器Lo和输入端之间，允许输入端从负载11吸收功率。在此情形下，电感器Lo中的第三电流变化为流经串联的电感器Lo和电容器Cr的谐振回路的一个电流(在本实施例中可称之为“第四电流”)。
在步骤724，控制器12判断电感器Lo中的电流是否约等于0。如果判断结果为是，切换顺序发展为步骤702。如果判断结果为否，控制器12继续判断电感器Lo中的电流直到所述电流约等于0。
在一些实施例中，功率转换电路(例如，功率转换电路10或40)可工作为降压变换器，将输入端的电压降压后输出至输出端。
以功率转换电路10为例，控制器12还用于根据用于轻负载操作的命令CMD按照第四切换顺序控制所述多个开关元件，所述第四切换顺序包括：在第一时间段，通过第一和第二开关元件M1-M2将功率传输至负载11；在第二时间段通过第三和第四开关元件M3-M4将功率传输至负载11。其中，所述第二时间段与所述第一时间段不同且不重叠。
图9A和图9B示出功率转换电路10的轻负载操作的两个阶段。如图9A所示，在第一时间段，功率转换电路10操作在阶段0，在该阶段0，控制器12通过导通第一、第二以及第四开关元件M1-M2，M4，断开第三开关元件M3来形成导电路径902。
在该阶段，流经导电路径902的电流开始增加，电感器Lo根据所述电流的变化在电感器Lo两端产生反向电压(opposing voltage)。该电压减小负载11两端的净电压(netvoltage)。当电流变化的比率下降，电感器Lo两端的电压也随之下降，由此增大输出节点Nout处的电压。在该时间段，电感器Lo通过磁场存储能量。在电感器Lo两端始终会存在电压降，因此，负载11的净电压将总是小于输入电压源。
请参考图9B，在第二时间段，功率转换电路10切换至阶段1。在阶段1，控制器12通过导通第一、第三以及第四开关元件M1，M3-M4，断开第二开关元件M2来形成导电路径904。
在阶段1，Vin与负载11去耦接，流经负载11的电流将减小。电流的变化将改变电感器Lo两端的电压，以便电感器Lo变为电压源。存储在电感器Lo中的能量支持电流流经负载11。在该时间段，电感器Lo将其存储的能量放电给电路的其他部分。
使用上面的切换机制，功率转换电路10周期性地将能量从输入端Nin传输至负载11并在一小部分时间段(所述第一时间段)将能量存储在电感器Lo中，并在剩余的时间段(所述第二时间段)使用存储的能量，导致功率转换电路10的输出节点Nout处存在恒定的电压。
图10示出Vin小于2*Vout时，功率转换电路10的电容器Cr和电感器Lo在不同的预定等级条件下(例如，分别在图2中的步骤208和224选择的预定等级Ith1和Ith2)的电压和电流的时序图。在图10中，曲线1002表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为0安时，电感器Lo在一个周期内的电流；曲线1004表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为1安时，电感器Lo在一个周期内的电流；曲线1006表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为1.5安时，电感器Lo在一个周期内的电流；曲线1008表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为0安时，电容器Cr在一个周期内的相应电压；曲线1010表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为1安时，电容器Cr在一个周期内的相应电压；曲线1012表示第一的预定电流Ith1或第三电流的预定电流Ith2分别设置为1.5安时，电容器Cr在一个周期内的相应电压。在一些实施例中，预定等级Ith1不需要等于预定等级Ith2。此处，波形的一个周期包括图3A-图3H示出的阶段0-阶段7，或者，包括图6A-图6F示出的阶段0-阶段5。
如图所示，通过执行(1)在对电容器Cr进行充电前，使用具有预定等级Ith1＝1安或1.5安的第一电流对电感器Lo进行充电以及(2)在对电容器Cr进行放电前，使用具有预定等级Ith2＝1安或1.5安的第三电流对电感器Lo进行充电；电容器Cr上的电荷在电压调整周期的两端是平衡的，因此减少了每个电压调整周期内的额外的损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (31)

1.一种功率转换电路，其特征在于，包含:
输入端，耦接一个输入电压；
第一开关元件，所述第一开关元件包括一对第一端和第一控制端，其中所述一对第一端耦接于所述输入端和第一节点之间；
第二开关元件，所述第二开关元件包括一对第二端和第二控制端，其中所述一对第二端耦接于所述第一节点和第二节点之间；
第三开关元件，所述第三开关元件包括一对第三端和第三控制端，其中所述一对第三端耦接于所述第二节点和第三节点之间；
第四开关元件，所述第四开关元件包括一对第四端和第四控制端，其中所述一对第四端耦接于所述第三节点和接地端之间；
电容器，耦接于所述第一节点和所述第三节点之间；
电感器，耦接于所述第二节点和负载之间；以及
控制器，用于分别通过所述第一控制端、所述第二控制端、所述第三控制端以及所述第四控制端控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件导通或者断开，以便负载处的电压重复地经由执行(1)-(2)来调节，其中所述(1)包括在对电容器充电而使第二电流流入所述电感器之前，使用第一电流对所述电感器进行充电；其中，所述(2)包括在对电容器放电而使第四电流流入所述电感器之前，使用第三电流对所述电感器进行充电。
2.如权利要求1所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器用于按照一定的切换顺序控制所述第一、第二、第三以及第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
通过包括所述第一开关元件、所述第二开关元件以及所述电感器的第一导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述电感器的第二导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行充电并使第二电流流入所述电感器。
3.如权利要求2所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第一至第三开关元件，断开所述第四开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二和第四开关元件来形成所述第二导电路径。
4.如权利要求2所述的功率转换电路，其特征在于，所述一定的切换顺序还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，当所述第二开关元件的所述一对第二端两端的电压小于一个电压阈值，通过包括所述第一、第二开关元件以及所述电感器的第三导电路径将功率传输至所述负载，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述第四开关元件、所述电容器、所述第二开关元件以及所述电感器的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行放大以及使所述第四电流流入所述电感器。
5.如权利要求4所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第一、第二以及第四开关元件，断开所述第三开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一和第三开关元件来形成所述第四导电路径。
6.如权利要求1所述的功率转换电路，其特征在于，还包括：
第五开关元件，所述第五开关元件包括一对第五端和第五控制端，其中所述一对第五端耦接于所述输入端和所述第二节点之间，且所述控制器通过所述第五控制端控制所述第五开关元件导通或者断开。
7.如权利要求6所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器用于按照一定的切换顺序控制所述第一、第二、第三以及第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
通过包括所述第五开关元件和所述电感器的第一导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述第一开关元件、所述电容器、所述第三开关元件以及所述电感器的第二导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行充电并使所述第二电流流入所述电感器。
8.如权利要求7所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第五开关元件，断开所述第一至第四开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二，第四以及第五开关元件来形成所述第二导电路径。
9.如权利要求6所述的功率转换电路，其特征在于，所述一定的切换顺序还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，当所述第二开关元件的所述一对第二端两端的电压小于一个电压阈值，通过包括所述第五开关元件以及所述电感器的第三导电路径将功率传输至所述负载，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述第四开关元件、所述电容器、所述第二开关元件以及所述电感器的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行放大以及使所述第四电流流入所述电感器。
10.如权利要求9所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第五开关元件，断开所述第一至第四开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一、第三以及第五开关元件来形成所述第四导电路径。
11.如权利要求1所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于根据用于动态电压频率调整操作的命令按照一定的切换顺序控制所述第一至第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
通过包括所述电感器、所述第三、第四开关元件的第一导电路径从负载吸收功率，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述电感器、所述第二开关元件、所述电容器以及所述第四开关元件的第二导电路径从所述负载吸收功率，以便所述第二电流入所述电感器。
12.如权利要求11所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第一至第四开关元件，断开所述第一开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一和第三开关元件来形成所述第二导电路径。
13.如权利要求11所述的功率转换电路，其特征在于，所述一定的切换顺序还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，当所述负载处的电压大于一个电压阈值，通过包括所述第三和第四开关元件以及所述电感器的第三导电路径从所述负载吸收功率，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述电感器、所述第三开关元件、所述电容器以及所述第一开关元件的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第四电流流入所述电感器。
14.如权利要求13所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于通过导通所述第三和第四开关元件，断开所述第一和第二开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二和第四开关元件来形成所述第四导电路径。
15.如权利要求1所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于根据用于轻负载操作的命令按照一定的切换顺序控制所述第一、第二、第三以及第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
在第一时间段，通过所述第一和第二开关元件将功率传输至所述负载；
在第二时间段，通过所述第三和第四开关元件以及所述电感器将功率传输至所述负载；
其中，所述第二时间段与所述第一时间段不同。
16.如权利要求15所述的功率转换电路，其特征在于，所述控制器还用于在所述第一时间段导通所述第一、第二以及第四开关元件，断开所述第三开关元件；在所述第二时间段导通所述第一、第三以及第四开关元件，断开所述第二开关元件。
17.一种操作功率转换电路的方法，其中，所述功率转换电路包括：输入端，耦接一个输入电压；第一开关元件，所述第一开关元件包括一对第一端和第一控制端，其中所述一对第一端耦接于所述输入端和第一节点之间；第二开关元件，所述第二开关元件包括一对第二端和第二控制端，其中所述一对第二端耦接于所述第一节点和第二节点之间；第三开关元件，所述第三开关元件包括一对第三端和第三控制端，其中所述一对第三端耦接于所述第二节点和第三节点之间；第四开关元件，所述第四开关元件包括一对第四端和第四控制端，其中所述一对第四端耦接于所述第三节点和接地端之间；电容器，耦接于所述第一节点和所述第三节点之间；电感器，耦接于所述第二节点和负载之间；以及控制器，用于分别通过所述第一控制端、所述第二控制端、所述第三控制端以及所述第四控制端控制所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件导通或者断开；其特征在于，所述方法包括：
提供所述输入电压给所述功率转换电路的所述输入端；
通过所述控制器改变所述第一至第四开关元件的导通或者断开状态，以便负载处的电压重复地经由执行(1)-(2)来调节，其中所述(1)包括在对电容器充电而使第二电流流入所述电感器之前，使用第一电流对所述电感器进行充电；其中，所述(2)包括在对电容器放电而使第四电流流入所述电感器之前，使用第三电流对所述电感器进行充电。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
通过包括所述第一开关元件、所述第二开关元件以及所述电感器的第一导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述电感器的第二导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行充电并使第二电流流入所述电感器。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第一至第三开关元件，断开所述第四开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二和第四开关元件来形成所述第二导电路径。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，判断所述第二开关元件的所述一对第二端两端的电压是否小于一个电压阈值；
当所述第二开关元件的所述一对第二端两端的电压小于一个电压阈值，通过包括所述第一、第二开关元件以及所述电感器的第三导电路径将功率传输至所述负载，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述第四开关元件、所述电容器、所述第二开关元件以及所述电感器的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行放大以及使所述第四电流流入所述电感器。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第一、第二以及第四开关元件，断开所述第三开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一和第三开关元件来形成所述第四导电路径。
22.如权利要求17所述的方法，其中，所述功率转换电路还包括第五开关元件，所述第五开关元件包括一对第五端和第五控制端，其中所述一对第五端耦接于所述输入端和所述第二节点之间，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述第五控制端控制所述第五开关元件导通或者断开；
通过包括所述第五开关元件和所述电感器的第一导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述第一开关元件、所述电容器、所述第三开关元件以及所述电感器的第二导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行充电并使所述第二电流流入所述电感器。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第五开关元件，断开所述第一至第四开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二，第四以及第五开关元件来形成所述第二导电路径。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，当所述第二开关元件的所述一对第二端两端的电压小于一个电压阈值，通过包括所述第五开关元件以及所述电感器的第三导电路径将功率传输至所述负载，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述第四开关元件、所述电容器、所述第二开关元件以及所述电感器的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便对所述电容器进行放大以及使所述第四电流流入所述电感器。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第五开关元件，断开所述第一至第四开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一、第三以及第五开关元件来形成所述第四导电路径。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，根据用于动态电压频率调整操作的命令按照一定的切换顺序控制所述第一至第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
通过包括所述电感器、所述第三、第四开关元件的第一导电路径从负载吸收功率，以便所述第一电流流入所述电感器；
当所述第一电流到达预定等级，通过包括所述电感器、所述第二开关元件、所述电容器以及所述第四开关元件的第二导电路径从所述负载吸收功率，以便所述第二电流入所述电感器。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第一至第四开关元件，断开所述第一开关元件来形成所述第一导电路径；以及通过导通所述第二和第四开关元件，断开所述第一和第三开关元件来形成所述第二导电路径。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述一定的切换顺序还包括：
当所述电感器中的电流约等于0，通过将所述第二节点从所述输入节点隔开来进入待机状态；
在所述待机状态下，当所述负载处的电压大于一个电压阈值，通过包括所述第三和第四开关元件以及所述电感器的第三导电路径从所述负载吸收功率，以便所述第三电流流入所述电感器；
当所述第三电流到达另一个预定等级，通过包括所述电感器、所述第三开关元件、所述电容器以及所述第一开关元件的第四导电路径将所述功率传输至所述负载，以便所述第四电流流入所述电感器。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括：
通过导通所述第三和第四开关元件，断开所述第一和第二开关元件来形成所述第三导电路径；以及通过导通所述第一和第三开关元件，断开所述第二和第四开关元件来形成所述第四导电路径。
30.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
根据用于轻负载操作的命令按照一定的切换顺序控制所述第一、第二、第三以及第四开关元件，所述一定的切换顺序包括：
在第一时间段，通过所述第一和第二开关元件将功率传输至所述负载；
在第二时间段，通过所述第三和第四开关元件以及所述电感器将功率传输至所述负载；
其中，所述第二时间段与所述第一时间段不同。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第一时间段导通所述第一、第二以及第四开关元件，断开所述第三开关元件；在所述第二时间段导通所述第一、第三以及第四开关元件，断开所述第二开关元件。
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