一种高效开关电容电力变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S1，功率开关S2，二极管VD1，电容Cr1，电感Lr1，电容Co1；对于传统的升压式谐振开关电容变换器，该电路通过利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题；该拓扑的单个开关可以工作在PWM控制下实现零电流导通，减小变换器开关损耗；因此，该开关电容电力变换器与传统的升压式谐振开关电容变换器相比，实现了对输出电压的控制，提高了工作效率。

An efficient switched capacitor power converter

The invention discloses a high-efficiency switched capacitor power converter, which is characterized in that the switch capacitor power converter includes a power switch S1 power switch, S2, diode VD1, Cr1 capacitor, inductance Lr1, capacitance Co1; the traditional step-up resonant switched capacitor converter, the circuit realized by freewheeling diode is replaced by a small inductor, reducing switching capacitor converter conduction losses, at the same time through the resonant inductor and switch capacitor to achieve PWM control mode of the regulator, to solve the problem of traditional switched capacitor converter in voltage follower mode lag; single switch of the topology can work under the control of PWM to achieve zero current turn-on. The converter switching loss; therefore, compared the switched capacitor power converter and the step-up resonant switched capacitor converter and realize the control of output voltage, The work efficiency has been improved.

【技术实现步骤摘要】
一种高效开关电容电力变换器
本专利技术属于电力变换设备领域，具体涉及一种高效开关电容电力变换器。技术背景如今，在功率变换器设计中，如何平衡效率与成本一直是人们的关注重点，一方面是新材料与新器件的发展，如器件新工艺的发展和新的半导体材料的专利技术等；另一方面是新拓扑技术与控制方法的专利技术。而开关电容电力变换器具有体积小，重量轻，低磁化等优点，在电力变换系统中具有较大的应用前景。那么高效的开关电容电力变换器的研究是一个重要的研究方向。附图1是传统的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构图。附图1所示的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构是由功率开关S1和功率开关S2、电感Lr和n个基本升压开关电容模块级联而成，开关电容Cr1、Cr2、...、Crn的值为C。这里忽略各个器件的内阻和损耗，把它们看成是理想器件，其工作过程可以分为四步。当功率开关S2导通、功率开关S1闭合时，电源Vi对电容Cr1充电、电容Co1对电容Cr2充电，电容Co2对电容Cr3充电，...，电容Co(n-1)对电容Crn充电，电容Con两端为电源输出端。当此阶段结束时，电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势增到最大。上一步结束后，所有的开关均关断，电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势保持最大不变。当功率开关S2闭合、功率开关S1导通时，电源Vi和电容Cr1对电容Co1充电、电容Cr2对电容Co2充电、...、电容Crn对电容Con充电。当此阶段结束时，电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势降到最小。上一步结束后，当所有的开关均关断时，电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势保持最小不变。由能量守恒定律，可得出Vo＝nVi(其中Vo是输出电压，Vi是输入电压)。在该升压式谐振开关电容变换器中，功率开关S2、功率开关S1接通时因为电流流过负方向(流过开关元件中的二极管的电流)，因此不产生开关损失。并且，因为进行了共振动作，也不会产生断开功率开关S2、功率开关S1时的冲击电压。从而能够使用低耐压的开关元件，是构成高效电源所需要的极为有效的方式。然而，在如附图1所示的升压式谐振开关电容变换器中，其输入和输出电压关系只由电路的拓扑决定(即阶数n)，这增加了输出电压的控制难度。同时因为二极管上存在一定的导通电压降，其将削弱该电路工作效率。因此有必要提出一种高效开关电容电力变换器电路来克服上述问题。
技术实现思路
本专利技术的一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S1，功率开关S2，二极管VD1，电容Cr1，电感Lr1，电容Co1。功率开关S1的集电极和二极管VD1的正极共接于电源正输入端，功率开关S1的发射极和功率开关S2集电极共接于电容Cr1负极；功率开关S2的发射级和电容Co1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD1的负极和电容Cr1的正极共接于电感Lr1的一端；电感Lr1的另一端和电容Co1的正极共接于输出电源正极；电容Co1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器采用以上1所述的开关电容电力变换器的级联方式进行多级级联而成；所述电感为多个电感以串并联方式构成。一种高效开关电容电力变换器的多级结构的工作过程可以分为两个模态，模态1对应的等效电路如附图4所示，模态2对应的等效电路如附图5所示。模态1：当功率开关S1闭合，功率开关S2断开时，电源Vi与电容Cr1串联，电流流经功率开关S1，电感Lr1和电容Co1到地，此时对电感Lr1和电容Co1是储能。同理，电源Vi与电容Cr2串联对Lr2和电容Co2充电，...，电源Vi与电容Crn串联对Lrn和电容Con充电，此阶段结束时电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势降到最小；模态2，当功率开关S2闭合，功率开关S1断开，电源Vi对电容Cr1充电，电容Co1对电容Cr2充电，电容Co2对电容Cr3充电，...，电容Co(n-1)对电容Crn充电，电容Con两端作为电源输出端，阶段结束时电容Cr1、Cr2、...、Crn两端的电势增到最大。如附图7所示，该开关电容电力变换器的多级拓扑结构波形。令功率开关S1的占空比为D，功率开关S2的占空比为(1-D)。由能量守恒定律分析得出Vo＝(1+nD)Vi，(其中Vo是输出电压，Vi是输入电压)由此可知该电路电压增益不仅由电路的拓扑所决定，还与开关管的占空比有关，从而可以实现开关电容变换器的输出电压的PWM控制方式。一种高效开关电容电力变换器开关管及各二极管最大电压应力分别为：VDi＝Vi+Vric-Vric＝Vi(0＜i≤n)其中VDi为各个二极管导通电压，Vric为各个电容Cri两端电压；可见，随着电路阶数的增加，该拓扑的所有开关管和二极管的最大电压应力保持不变，只与电源电压有关。电感量Lrx(1≤x≤n)只决定了自身电流的纹波大小，对输出也没有影响，并且由于结合了开关电容升压电路，也不用考虑电感电流断续的问题，因此该高效开关电容电力变换器的电感可以选取得更小些，减少了变换器设备的体积。该电路通过利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题。该拓扑的单个开关可以工作在PWM控制下实现零电流导通，减小变换器开关损耗。实现了对输出电压的控制，提高了工作效率。附图说明图1：传统的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构图；图2：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的拓扑结构图；图3：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构图4：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构工作模态一图5：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构工作模态二图6：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的3级电路拓扑结构图；图7：本专利技术的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构波形。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的基本思想是利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题和实现了对输出电压的控制，提高电路的工作效率。实施例1由附图2可知，本专利技术的一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S1，功率开关S2，二极管VD1，电容Cr1，电感Lr1，电容Co1。功率开关S1的集电极和二极管VD1的正极共接于电源正输入端，功率开关S1的发射极和功率开关S2集电极共接于电容Cr1负极；功率开关S2的发射级和电容Co1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD1的负极和电容Cr1的正极共接于电感Lr1的一端；电感Lr1的另一端和电容Co1的正极共接于输出电源正极；电容Co1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。其中所述电感包括多个以串并联方式连接的电感。通过脉冲控制功率开关S1，功率开关S2导通和/或关断，使输入电源Vi的能量给电感、电容等储能元件进行储能，并通过开关电路对输出电压进行释放能量，形成开关电容电力变换器。其原理为：当功率开关S1闭合，功率开关S2断开时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S1，功率开关S2，二极管VD1，电容Cr1，电感Lr1，电容Co1。功率开关S1的集电极和二极管VD1的正极共接于电源正输入端，功率开关S1的发射极和功率开关S2集电极共接于电容Cr1负极；功率开关S2的发射级和电容Co1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD1的负极和电容Cr1的正极共接于电感Lr1的一端；电感Lr1的另一端和电容Co1的正极共接于输出电源正极；电容Co1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。

【技术特征摘要】
1.一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S1，功率开关S2，二极管VD1，电容Cr1，电感Lr1，电容Co1。功率开关S1的集电极和二极管VD1的正极共接于电源正输入端，功率开关S1的发射极和功率开关S2集电极共接于电容Cr1负极；功率开关S2的发射级和电容Co1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD1的负极和电容Cr1的正...

【专利技术属性】
技术研发人员：付青，耿炫，赖日培，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44