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CN102820775A - 充电装置的整合式升降压转换器 - Google Patents

充电装置的整合式升降压转换器 Download PDF

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CN102820775A
CN102820775A CN2011101504505A CN201110150450A CN102820775A CN 102820775 A CN102820775 A CN 102820775A CN 2011101504505 A CN2011101504505 A CN 2011101504505A CN 201110150450 A CN201110150450 A CN 201110150450A CN 102820775 A CN102820775 A CN 102820775A
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CN
China
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switch
boost converter
voltage
rechargeable battery
charging
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Application number
CN2011101504505A
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许昌吉
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Delta Electronics Inc
Original Assignee
Delta Electronics Inc
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    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
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    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters

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Abstract

本发明有关于一种充电装置的整合式升降压转换器接收一直流输入电压并通过转换该直流输入电压的电压电平，以提供一输出电压对一充电电池充电。该整合式升降压转换器包含一第一开关、一第二开关、一第一二极管、一第二二极管、一电感以及一电容。通过控制该第一开关与该第二开关，使该整合式升降压转换器可提供升压与降压的转换功能，能以准确地提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平，有效地降低整体的切换损失，使得电力转换效率大大地提升。

Description

充电装置的整合式升降压转换器
技术领域
本发明有关一种升降压转换器，尤指一种充电装置的整合式升降压转换器。
背景技术
现今，行动载具发展已朝向无污染、高效能的电动驱动时代。然而作为电动驱动的能源必须藉由电池以作为能源储存的容器，使得能源能被储存到电池中。通过将能源，例如火力、水力、风力、热能、太阳能以及核能…等转换成电能后，才能够将电能做适当地转换后储存在电池中。然而，在电能转换的过程，必须考虑到安全性、高效能以及便利性等问题。
请参见图1为现有具有DC/DC转换器的充电装置的电路方块图。如图所示，该充电装置10A应用于一行动载具(未图示)。该行动载具的充电系统主要包含该充电装置10A与一充电电池20A。该行动载具可为一电动汽车或一电动机车，并且，该充电电池20A为该电动汽车或该电动机车的车用充电电池。
该充电装置10A包含一电磁干扰滤波器102A、一功率因子校正器104A以及一DC/DC转换器106A。该充电装置10A的该电磁干扰滤波器102A电性连接一外部交流电源Vs，以消除该交流电源Vs的噪声，并防止传导性电磁噪声的干扰。该功率因子校正器104A电性连接该电磁干扰滤波器102A，以改善转换后的直流电源的功率因子。该DC/DC转换器106A电性连接该功率因子校正器104A，以提供不同充电直流电压电平的转换。
当该充电电池20A在使用过程中需要充电的情况下，由于外部所提供的该交流电源Vs的电压电平不见得配合该充电电池20A的电池电压，并且，当该充电电池20A在充电过程中，该充电电池20A的电池电压为动态变化，因此，所采用的该DC/DC转换器106A通常设计为具有一升压式转换器(boostconverter)，再串联一降压式转换器(buck converter)的两级式架构，以因应当充电电压高于或低于该充电电池20A的电池电压时的充电需求。请参见图2为现有两级式DC/DC转换器的电路图。该两级式DC/DC转换器106A包含一升压式转换器1062A与一降压式转换器1064A。其中该升压式转换器1062A用以将较低电平的输入电压转换成较高电平的输出电压；同理，该降压式转换器1064A用以将较高电平的输入电压转换成较低电平的输出电压。在此实施例中，该功率因子校正器104A的输出电压为该两级式DC/DC转换器106A的输入电压Vin。并且，该两级式DC/DC转换器106A的该升压式转换器1062A或该降压式转换器1064A的操作，根据该输入电压Vin与该充电电池20A的电池电压Vb大小。亦即，当该输入电压Vin高于该充电电池20A的电池电压Vb时，该两级式DC/DC转换器106A的该降压式转换器1064A动作，以将较高电平的输入电压Vin转换成较低电平的输出电压Vout以提供该充电电池20A正常充电时所需的充电电压电平。反之，当该输入电压Vin低于该充电电池20A的电池电压Vb时，该两级式DC/DC转换器106A的该升压式转换器1062A动作，以将较低电平的输入电压Vin转换成较高电平的输出电压Vout以提供该充电电池20A正常充电时所需的充电电压电平。惟，该两级式DC/DC转换器106A由于同时具有升压式转换器与降压式转换器的电路架构，因此，所需的电路元件多，导致增加电路元件使用与维护成本。
现有的升降压式转换器(buck-boost converter)可被设计出用以提供输出电压可以高于或低于输入电压的电压电平之用。该升降压式转换器(buck-boostconverter)提供电压电平转换时，该升降压式转换器的开关则为同时切换操作，导致整体的切换损失提高，使得电力转换效率大大地降低，所以一般用于低输出功率的时机。
因此，如何设计出一种充电装置的整合式升降压转换器，能以准确地提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平，有效地降低整体的切换损失，使得电力转换效率大大地提升，乃为本案发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种充电装置的整合式升降压转换器，接收直流输入电压并通过转换直流输入电压的电压电平，以提供输出电压对充电电池充电。整合式升降压转换器包含第一开关、第一二极管、电感、第二开关、第二二极管以及电容。
第一开关具有第一端与第二端。第一二极管具有阳极与阴极，并且，第一二极管的阴极电性连接第一开关的第二端。电感具有第一端与第二端，并且，电感的第一端电性连接第一开关的第二端与第一二极管的阴极。第二开关具有第一端与第二端，并且，第二开关的第一端电性连接电感的第二端。第二二极管具有阳极与阴极，并且，第二二极管的阳极电性连接电感的第二端与第二开关的第一端。电容具有第一端与第二端，并且，电容的第一端电性连接第二二极管的阴极；此外，电容的第二端电性连接第二开关的第二端与第一二极管的阳极。
其中，第一开关的第一端与第一二极管的阳极为双端架构的整合式升降压转换器的输入侧，以接收输入电压；此外，电容的第一端与电容的第二端为双端架构的整合式升降压转换器的输出侧，以提供输出电压，对充电电池充电。
藉此，通过控制第一开关与第二开关，使整合式升降压转换器可提供升压与降压的转换功能，能以准确地提供充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，当该输入电压高于该充电电池的电池电压时，该第一开关为切换操作状态而该第二开关为全截止操作状态，藉由通过控制该第一开关的切换责任周期(duty cycle)以降低该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，当该输入电压低于该充电电池的电池电压时，该第一开关为全导通或操作在最大切换责任周期的状态而该第二开关为切换操作状态，藉由通过控制该第二开关的切换责任周期(dutycycle)以提高该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关为切换操作状态而该第二开关为固定责任周期的操作状态，藉由通过控制该第一开关的切换责任周期以降低该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关为固定责任周期的操作状态而该第二开关为切换操作状态，藉由通过控制该第二开关的切换责任周期以提高该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关与该第二开关为切换操作状态，藉由通过同步控制该第一开关与该第二开关的切换责任周期，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该第一开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)所控制。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)所控制。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该第一开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)所控制。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)所控制。
所述的充电装置的整合式升降压转换器，其中，该第一开关与该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)所控制。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为现有具有DC/DC转换器的充电装置的电路方块图；
图2为现有两级式DC/DC转换器的电路图；
图3为本发明充电装置的整合式升降压转换器的电路图；
图4A为该整合式升降压转换器于高电压差的降压操作的电路图；
图4B为该整合式升降压转换器于高电压差的升压操作的电路图；
图4C为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第一实施例的电路图；
图4D为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第二实施例的电路图；及
图4E为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第三实施例的电路图。
其中，附图标记：
〔现有技术〕
Vs       交流电源            1064A      降压式转换器
10A      充电装置            20A        充电电池
102A     电磁干扰滤波器      Vin        输入电压
104A     功率因子校正器      Vout       输出电压
106A     DC/DC转换器         Vb         电池电压
1062A    升压式转换器
〔本发明〕
10       整合式升降压转换器  112        电容
102      第一开关            20         充电电池
104      第二开关            Vin        输入电压
106      第一二极管          Vout       输出电压
108      第二二极管          Vb         电池电压
110      电感
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：
请参见图3为本发明充电装置的整合式升降压转换器的电路图。该充电装置(未图标)的该整合式升降压转换器10，接收一直流输入电压Vin并通过转换该直流输入电压Vin的电压电平，以提供一输出电压Vout对一充电电池20充电。该整合式升降压转换器10包含一第一开关102、一第一二极管106、一电感110、一第二开关104、一第二二极管108以及一电容112。
该第一开关102具有一第一端(未标示)与一第二端(未标示)。该第一二极管106具有一阳极与一阴极，并且，该第一二极管106的该阴极电性连接该第一开关102的该第二端。该电感110具有一第一端(未标示)与一第二端(未标示)，并且，该电感110的该第一端电性连接该第一开关102的该第二端与该第一二极管106的该阴极。该第二开关104具有一第一端(未标示)与一第二端(未标示)，并且，该第二开关104的该第一端电性连接该电感110的该第二端。该第二二极管108具有一阳极与一阴极，并且，该第二二极管108的该阳极电性连接该电感110的该第二端与该第二开关104的该第一端。该电容112具有一第一端(未标示)与一第二端(未标示)，并且，该电容112的该第一端电性连接该第二二极管108的该阴极；此外，该电容112的该第二端电性连接该第二开关104的该第二端与该第一二极管106的该阳极。
其中，该第一开关102的该第一端与该第一二极管106的该阳极为该双端架构的整合式升降压转换器10的输入侧，以接收该输入电压Vin；此外，该电容112的该第一端与该电容112的该第二端为该双端架构的整合式升降压转换器10的输出侧，以提供该输出电压Vout，对该充电电池20充电。
藉此，通过控制该第一开关102与该第二开关104，使该整合式升降压转换器10可提供升压与降压的转换功能，能以准确地提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。
至于该充电装置的整合式升降压转换器10更详细的操作说明，请参见后文。当该输入电压Vin高于该充电电池20的电池电压Vb时，该整合式升降压转换器10的该第一开关102为切换操作状态而该第二开关104为全截止操作状态。如此，在此降压操作状态下，该整合式升降压转换器10的电路架构可等效图4A所示的电路架构。请参见图4A为该整合式升降压转换器于高电压差的降压操作的电路图。并且，藉由通过控制该第一开关102的切换责任周期(duty cycle)以降低该整合式升降压转换器10的输出电压Vout，以提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。其中，该第一开关102的切换责任周期通过一脉波宽度调变技术(pulse width modulation，PWM)所控制。也就是说，当该充电电池20在使用过程中需要充电的情况下，外部所提供的交流电源经过电磁干扰滤波器(未图示)滤除交流电源的高频噪声，再通过功率因子校正单元(未图标)转换该滤波后的交流电源为一直流电压(即为该整合式升降压转换器10的输入电压Vin)，若该输入电压Vin高于该充电电池20的电池电压Vb时，该整合式升降压转换器10则藉由该第一开关102与该第二开关104的控制，调整为降压操作状态，使得该整合式升降压转换器10的输出电压Vout降低，能以配合该充电电池20的电池电压Vb大小，提供该充电电池20所需的充电电压电平，而避免因充电电压过高导致过度充电使得该充电电池20受到严重破坏，甚至爆炸。其中，前述的该高电压差在此实施例指该整合式升降压转换器10的输入电压Vin高于该充电电池20的电池电压Vb具有一定的程度。
此外，当该输入电压Vin低于该充电电池20的电池电压Vb，该第一开关102为全导通或操作在最大切换责任周期的状态而该第二开关104为切换操作状态。如此，在此升压操作状态下，该整合式升降压转换器10的电路架构可等效图4B所示的电路架构。请参见图4B为该整合式升降压转换器于高电压差的升压操作的电路图。并且，藉由通过控制该第二开关104的切换责任周期(duty cycle)以提高该整合式升降压转换器10的输出电压Vout，以提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。其中，该第二开关104的切换责任周期通过一脉波宽度调变技术(pulse width modulation，PWM)所控制。也就是说，当该充电电池20在使用过程中需要充电的情况下，外部所提供的交流电源经过电磁干扰滤波器(未图示)滤除交流电源的高频噪声，再通过功率因子校正单元(未图标)转换该滤波后的交流电源为一直流电压(即为该整合式升降压转换器10的输入电压Vin)，若该输入电压Vin低于该充电电池20的电池电压Vb，该整合式升降压转换器10则藉由该第一开关102与该第二开关104的控制，调整为升压操作状态，使得该整合式升降压转换器10的输出电压Vout提高，能以配合该充电电池20的电池电压Vb大小，提供该充电电池20所需的充电电压电平。其中，前述的该高电压差在此实施例指该整合式升降压转换器10的输入电压Vin低于该充电电池20的电池电压Vb具有一定的程度。
综上所述可知，无论该整合式升降压转换器10的输入电压Vin高于或低于该充电电池20的电池电压Vb，该整合式升降压转换器10的该第一开关102或该第二开关104可通过适当的切换控制，提供降压操作或升压操作(视该输入电压Vin与该电池电压Vb的关系)。因此，在任一种操作状态下(降压操作或升压操作)，仅存在有该第一开关102或该第二开关104为切换操作状态，亦即，当降压操作时，该第一开关102为切换操作状态(而该第二开关104为全截止操作状态)；当升压操作时，该第二开关104为切换操作状态(而该第一开关102为全导通或操作在最大切换责任周期的状态)。故此，有别于现有技述所采用的升降压式转换器(buck-boost converter)为多个开关同时切换操作。因此，本发明所提供的该整合式升降压转换器10则有效地降低整体的切换损失，使得电力转换效率大大地提升。
值得一提，当该充电电池20在使用过程中需要充电的情况下，当该整合式升降压转换器10的输入电压Vin接近该充电电池20的电池电压Vb时，例如该输入电压Vin所含的涟波成份而造成该整合式升降压转换器10提供该充电电池20的充电电压有时略高于该电池电压Vb，有时略低于该电池电压Vb的不稳定状态。在此操作状态下，无法单独仅使用一降压式转换器或升压式转换器提供反馈控制以输出该充电电池20的电池电压Vb所需的充电电压电平。
故此，本发明所提供的该整合式升降压转换器10则采用三种操作模式来简化现有的两级式DC/DC转换器架构与克服上述因充电电压不稳定的充电操作。第一种操作模式请参见图4C为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第一实施例的电路图。当该输入电压Vin接近于该充电电池20的电池电压Vb时，亦即输入电压Vin与电池电压Vb两个电压差的绝对值不大时，该整合式升降压转换器10的该第一开关102为可通过一脉波宽度调变技术(pulse widthmodulation，PWM)所控制其切换责任周期(duty cycle)，而该第二开关104则为固定责任周期(fixed duty cycle)的控制，如此，可通过对该第一开关102提供反馈控制，使该整合式升降压转换器10的输出电压Vout能准确地提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。其中，上述的该低电压差的数值范围则视该充电电池20在实际充电应用状况下的设定。
第二种操作模式请参见图4D为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第二实施例的电路图。该整合式升降压转换器10的该第二开关104为可通过一脉波宽度调变技术(pulse width modulation，PWM)控制其切换责任周期(dutycycle)，而该第一开关102则为固定责任周期(fixed duty cycle)的控制。如此，该整合式升降压转换器10可通过对该第二开关104提供反馈控制，使该整合式升降压转换器10的输出电压Vout能准确地提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。其中，上述的该低电压差的数值范围则视该充电电池20在实际充电应用状况下的设定。
第三种操作模式请参见图4E为该整合式升降压转换器操作于低电压差的第三实施例的电路图。该整合式升降压转换器10的该第一开关102与该第二开关104为可通过一脉波宽度调变技术(pulse width modulation，PWM)做同步控制其切换责任周期(duty cycle)。如此，该整合式升降压转换器10可通过对该第一开关102与第二开关104提供反馈控制，使该整合式升降压转换器10的输出电压Vout能准确地提供该充电电池20正常充电时所需的充电电压电平。其中，上述的该低电压差的数值范围则视该充电电池20在实际充电应用状况下的设定。
综上所述，本发明具有以下的优点：
1、有别于现有技术所采用的两级式DC/DC转换器架构，本发明所提供该整合式升降压转换器能以减少电路元件数量，进而降低电路元件使用与维护成本；
2、有别于现有技术所采用的两级式DC/DC转换器，本发明所提供该整合式升降压转换器能以因应电压时高时低变化而提供及时的交替切换控制；
3、该整合式升降压转换器在任一种操作状态下(降压操作或升压操作)，仅存在有该第一开关或该第二开关为反馈控制切换操作状态，亦可对该第一开关与该第二开关做同步控制其切换责任周期，能以有效地降低整体的切换损失，使得电力转换效率大大地提升；及
4、能通过对该整合式升降压转换器的开关提供反馈控制，以控制其切换责任周期(duty cycle)，能以准确地提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平，而避免因充电电压过高导致过度充电使得该充电电池受到严重破坏，甚至爆炸；或者，因充电电压不足导致不完全充电而降低容量的异常操作。
惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。

Claims (11)

1.一种充电装置的整合式升降压转换器，接收一直流输入电压并通过转换该直流输入电压的电压电平，以提供一输出电压对一充电电池充电；其特征在于，该整合式升降压转换器包含：
一第一开关，具有一第一端与一第二端；
一第一二极管，具有一阳极与一阴极，并且，该第一二极管的该阴极电性连接该第一开关的该第二端；
一电感，具有一第一端与一第二端，并且，该电感的该第一端电性连接该第一开关的该第二端与该第一二极管的该阴极；
一第二开关，具有一第一端与一第二端，并且，该第二开关的该第一端电性连接该电感的该第二端；
一第二二极管，具有一阳极与一阴极，并且，该第二二极管的该阳极电性连接该电感的该第二端与该第二开关的该第一端；
一电容，具有一第一端与一第二端，并且，该电容的该第一端电性连接该第二二极管的该阴极；此外，该电容的该第二端电性连接该第二开关的该第二端与该第一二极管的该阳极；
其中，该第一开关的该第一端与该第一二极管的该阳极为该双端架构的整合式升降压转换器的输入侧，以接收该输入电压；此外，该电容的该第一端与该电容的该第二端为该双端架构的整合式升降压转换器的输出侧，以提供该输出电压，对该充电电池充电；
藉此，通过控制该第一开关与该第二开关，使该整合式升降压转换器可提供升压与降压的转换功能，能以准确地提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
2.根据权利要求1所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，当该输入电压高于该充电电池的电池电压时，该第一开关为切换操作状态而该第二开关为全截止操作状态，藉由通过控制该第一开关的切换责任周期以降低该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
3.根据权利要求1所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，当该输入电压低于该充电电池的电池电压时，该第一开关为全导通或操作在最大切换责任周期的状态而该第二开关为切换操作状态，藉由通过控制该第二开关的切换责任周期以提高该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
4.根据权利要求1所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关为切换操作状态而该第二开关为固定责任周期的操作状态，藉由通过控制该第一开关的切换责任周期以降低该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
5.根据权利要求1所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关为固定责任周期的操作状态而该第二开关为切换操作状态，藉由通过控制该第二开关的切换责任周期以提高该整合式升降压转换器的输出电压，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
6.根据权利要求1所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该输入电压接近于该充电电池的电池电压时，该第一开关与该第二开关为切换操作状态，藉由通过同步控制该第一开关与该第二开关的切换责任周期，以提供该充电电池正常充电时所需的充电电压电平。
7.根据权利要求2所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该第一开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变所控制。
8.根据权利要求3所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变所控制。
9.根据权利要求4所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该第一开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变所控制。
10.根据权利要求5所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变所控制。
11.根据权利要求6所述的充电装置的整合式升降压转换器，其特征在于，该第一开关与该第二开关的切换责任周期通过一脉波宽度调变所控制。
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