一种基于开关电容的直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容的直流变换器，属于电力电子技术领域。Cuk变换器在占空比足够大或足够小时可以实现很大的变比，但实际应用中由于效率与开关管压力的限制，变换器的占空比通常大于0.2小于0.8，因此在高变比的场合下Cuk变换器还不是非常适用。SC开关电容网络有着尺寸小，功率密度高的特点，但是其变比由硬件电路决定，在电压调制方面存在天然的缺陷。本发明专利技术结合Cuk电路和SC开关电容网络，提出了一种基于开关电容的直流变换器，在输出连续可调的同时，实现了较大变比的输出。

A DC/DC Converter Based on Switched Capacitor

The invention discloses a DC/DC converter based on switched capacitor, which belongs to the technical field of power electronics. Cuk converter can achieve a large duty cycle when the duty cycle is large enough or small enough. However, due to the limitation of efficiency and switching pressure, the duty cycle of the converter is usually greater than 0.2 and less than 0.8. Therefore, Cuk converter is not very suitable for high duty cycle situations. SC switched capacitor network has the characteristics of small size and high power density, but its ratio is determined by hardware circuit, and there are natural defects in voltage modulation. The invention combines Cuk circuit and SC switched capacitor network, and proposes a DC/DC converter based on switched capacitor. The output is continuously adjustable, and the output with large ratio is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关电容的直流变换器
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种基于开关电容的直流变换器。
技术介绍
Boost升压式DC/DC变换器输出电压的极性与输入电压极性相同，输出电压Uo与输入电压UI的关系为Uo＝UI/(1-d)，d为开关导通占空比，因为d<1，因此有Uo>UI。Buck降压式DC/DC变换器输出电压的极性与输入电压极性相同，输出电压Uo与输入电压UI的关系为Uo＝UI·d，因为d<1，因此有Uo<UI。为了实现同时可升降压，可采用Boost-Buck串联结构，将其简化后得到Cuk升降压式DC/DC变换器，Cuk变换器输出电压的极性与输入电压极性相反，输出电压Uo与输入电压UI的关系为Uo＝-UI·d/(1-d)，理论上，Cuk变换器的占空比足够大或足够小时可以实现很大的变比。但实际应用中由于效率与开关管压力的限制，变换器的占空比通常大于0.2小于0.8，因此在高变比的场合下Cuk变换器还不是非常适用。SC开关电容网络有着尺寸小，功率密度高的特点，但是其变比由硬件电路决定，在电压调制方面存在天然的缺陷。综上所述，如何设计出一款简单灵活的高变比变换器是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于开关电容的直流变换器，在实际应用中可实现较高的变比，其具体方案如下：本专利技术提供一种基于开关电容的直流变换器，采用在Cuk变换器中嵌入SC电路模块来实现改变调制范围的目的。所述变换器等效成Boost电路模块、SC电路模块和Buck电路模块；Boost电路模块、SC电路模块和Buck电路模块依次串联。所述Boost电路模块包括输入电感L1和开关管Q1；所述开关管Q1采用N沟道MOSFET；所述电感L1与开关管Q1漏极相连并且所连接处连接SC电路模块的输入端；所述电感L1另一端连接Boost电路模块输入端，所述开关管Q1源极与公共端相连。所述Buck电路模块包括二极管D1、电感L2和电容CN+1；所述电感L2与二极管D1阳极相连并且所连接处连接SC电路模块的输出端一端，所述电感L2与电容CN+1串联后与二极管D1并联，并且所述电容CN+1与二极管D1所连接处连接SC电路模块的输出端的另一端。所述SC电路模块包含N个开关电容单元和电容C0，其中，N为正整数；第n个开关电容单元用开关电容单元n表示；所述开关电容单元n存在四种结构：结构A、结构B、结构C、结构D；所述开关电容单元n包括开关管QnA、开关管QnB、开关管QnC和电容Cn；所述开关管QnA、开关管QnB、开关管QnC均采用N沟道MOSFET；结构A：所述开关管QnA的源极与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管QnA的漏极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关管QnC的源极，所述开关管QnC的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1相同，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1互补；结构B：所述开关管QnA的漏极与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管QnA的源极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关管QnC的漏极，所述开关管QnC的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1互补，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1相同；结构C：所述开关管QnA的源极与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管QnA的漏极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关管QnC的源极，所述开关管QnC的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1互补，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1相同；结构D：所述开关管QnA的漏极与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管QnA的源极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关管QnC的漏极，所述开关管QnC的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1相同，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1互补；所述SC电路模块结构由直流变换器的主要工作区域决定；当直流变换器主要工作在降压模式时，SC电路模块中所述电容C0一端与开关管Q1漏极相连，所述电容C0的另一端与开关电容单元1的输入端相连，所述开关电容单元1公共端与开关管Q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...开关电容单元N依次串联且公共端相连，所述开关电容单元N的公共端与二极管D1的阴极相连接，所述开关电容单元N的公共端与二极管D1的阳极相连接；此时，所述第n个开关电容单元的结构由N和n共同决定；当N为奇数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构B；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构A；当N为偶数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构A；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构B；此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：当直流变换器主要工作在升压模式时，SC电路模块中所述开关电容单元1一端与开关管Q1漏极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管Q1源极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管Q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...到开关电容单元n依次串联且公共端相连，所述开关电容单元n输出端与电容C0一端相连，所述开关电容单元n公共端与二极管D1阴极相连，所述电容C0另一端与二极管D1阳极相连接；此时，所述第n个开关电容单元的结构由n决定；若n为奇数，则开关电容单元n采用结构C；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构D；此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在可通过增加或者减少开电容单元数量调节增益，从而获得需要的增益值，比现有的变换器更加灵活；SC开关电容电路已经提供了一定的增益，因此我们通过占空比D来控制增益大小将更加准确。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例公开的一种基于开关电容的直流变换器的结构示意图；图2为本专利技术实施例公开的一种基于开关电容的直流变换器中的开关电容单元的结构示意图；图3为本专利技术实施例公开的一种具体的工作在降压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；图4为本专利技术实施例公开的一种具体的工作在升压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；图5为本专利技术实施例公开的一种具体N＝2工作在降压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；图6为本专利技术实施例公开的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于开关电容的直流变换器，其特征在于：等效Boost电路模块、SC电路模块和等Buck电路模块依次串联。

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容的直流变换器，其特征在于：等效Boost电路模块、SC电路模块和等Buck电路模块依次串联。2.根据权利要求1所述的等效Boost电路模块，其特征在于：所述Boost电路模块包括输入电感L1和开关管Q1；所述开关管Q1采用N沟道MOSFET；所述电感L1与开关管Q1漏极相连并且所连接处连接SC电路模块的输入端；所述电感L1另一端连接Boost电路模块输入端，所述开关管Q1源极与公共端相连。3.根据权利要求1所述的等效Buck电路模块，其特征在于：所述Buck电路模块包括二极管D1、电感L2和电容CN+1；所述电感L2与二极管D1阳极相连并且所连接处连接SC电路模块的输出端一端，所述电感L2与电容CN+1串联后与二极管D1并联，并且所述电容CN+1与二极管D1所连接处连接SC电路模块的输出端的另一端。4.根据权利要求1所述的SC电路模块，其特征在于：所述SC电路模块包含N个开关电容单元和电容C0，其中，N为正整数；第n个开关电容单元用开关电容单元n表示；所述开关电容单元n包括开关管QnA、开关管QnB、开关管QnC和电容Cn；所述开关管QnA、开关管QnB、开关管QnC均采用N沟道MOSFET；所述开关电容单元n存在四种结构：结构A、结构B、结构C、结构D。5.根据权利要求4所述的四种结构：结构A、结构B、结构C、结构D，其特征在于：结构A：所述开关管QnA的源极与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管QnA的漏极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关管QnC的源极，所述开关管QnC的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1相同，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1互补；结构B：所述开关管QnA的漏极与开关管QnB的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管QnA的源极与电容Cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容Cn另一端与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关管QnC的漏极，所述开关管QnC的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管QnA和开关管QnC的控制信号与开关管Q1互补，所述开关管QnB的控制信号与开关管Q1相同；结构C：所述开关管QnA的源极与开关管QnB的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡慧，陈俐宏，魏缪宇，郭倩，陈卫民，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33