具有低电压应力的谐振开关电容变换器及其控制器制造技术

本发明专利技术公开了谐振开关电容变换器及其控制器和控制方法。该变换器包括：第一和第二变换单元，均包括耦接在第一端与第三端之间的钳位电容器、耦接在第一端与开关节点之间的上端开关管、耦接在开关节点与第二端之间的下端开关管、以及耦接在开关节点与第四端之间的谐振腔；以及整流单元，具有第一至第四整流开关管，其中第一与第四整流开关管的第一端耦接至第一变换单元的第二端，第二与第三整流开关管的第二端耦接至第二变换单元的第二端，第一整流开关管的第二端与第三整流开关管的第一端耦接至第一与第二变换单元的第四端，第四整流开关管的第二端与第二整流开关管的第一端耦接至第一与第二变换单元的第三端。

【技术实现步骤摘要】
具有低电压应力的谐振开关电容变换器及其控制器
本专利技术涉及电子电路，尤其涉及谐振开关电容变换器及其控制器和控制方法。
技术介绍
谐振开关电容变换器与传统的开关电容变换器相比，其充放电电容均工作在谐振状态，因此不存在电流尖峰问题，可以应用于输出电流较大的场合。图1所示为现有谐振开关电容变换器的电路原理图，在这种电路结构中，各开关管需承受的电压应力由输入电压Vin、输出电压Vo以及储能电容器C22两端的电压决定，最高可达到与输入电压Vin相等。高电压应力会对变换器的成本和体积造成不利影响。
技术实现思路
根据本专利技术实施例的一种谐振开关电容变换器，包括：第一变换单元和第二变换单元，均具有第一端、第二端、第三端、第四端与开关节点，且均包括耦接在第一端与第三端之间的钳位电容器、耦接在第一端与开关节点之间的上端开关管、耦接在开关节点与第二端之间的下端开关管、以及耦接在开关节点与第四端之间的谐振腔，其中第一变换单元的第一端耦接至电源的第一端，第一变换单元的第二端耦接至负载的第一端，第二变换单元的第一端耦接至电源的第二端，第二变换单元的第二端耦接至负载的第二端；以及整流单元，具有第一整流开关管、第二整流开关管、第三整流开关管以及第四整流开关管，其中第一与第四整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至负载的第一端，第二与第三整流开关管的第二端耦接在一起并耦接至负载的第二端，第一整流开关管的第二端与第三整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第四端，第四整流开关管的第二端与第二整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第三端。根据本专利技术的实施例的一种用于如上所述谐振开关电容变换器的控制器，该控制器检测流过第一谐振腔与第二谐振腔的电流是否相等，以决定第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管的共同导通时刻，以及第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三整流开关管和第四整流开关管的共同导通时刻，该控制器还分别检测流过第一至第四整流开关管的电流是否过零，并根据检测结果决定第二变换单元内的下端开关管和第一整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的上端开关管和第二整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的下端开关管和第三整流开关管的共同关断时刻、以及第二变换单元内的上端开关管和第四整流开关管的共同关断时刻。根据本专利技术实施例的一种如上所述谐振开关电容变换器的控制方法，包括：检测流过第一谐振腔与第二谐振腔的电流是否相等，并根据检测结果决定第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管的共同导通时刻，以及第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三整流开关管和第四整流开关管的共同导通时刻；以及分别检测流过第一至第四整流开关管的电流是否过零，并根据检测结果决定第二变换单元内的下端开关管和第一整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的上端开关管和第二整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的下端开关管和第三整流开关管的共同关断时刻、以及第二变换单元内的上端开关管和第四整流开关管的共同关断时刻。附图说明图1为现有谐振开关电容变换器的电路原理图与波形图；图2A为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器100的电路原理图；图2B为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器100中变换单元的电路结构图；图3为根据本专利技术实施例的图2A所示谐振开关电容变换器100的控制信号波形图；图4A和4B为根据本专利技术实施例的图2A所示谐振开关电容变换器100在不同模式下的等效电路图；图5为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器200的电路原理图；图6为根据本专利技术实施例的图5所示谐振开关电容变换器200的控制信号波形图；图7为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器控制方法的流程图；图8为根据本专利技术实施例的控制器104A的示意性框图；图9为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器300的电路原理图。具体实施方式下面将结合附图详细描述本专利技术的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本专利技术。在以下描述中，为了便于对本专利技术的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本专利技术所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本专利技术，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本专利技术至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。图2A为根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器100的电路原理图。该变换器100包括第一变换单元101、第二变换单元102、整流单元103以及输出电容器Co，自电源接收输入电压Vin，并将输入电压Vin转换为输出电压Vo后提供至负载R。输出电容器Co与负载R并联。变换单元101和102具有类似的内部结构。如图2B所示，每个变换单元均具有第一端、第二端、第三端、第四端与开关节点，且均包括耦接在第一端与第三端之间的钳位电容器、耦接在第一端与开关节点之间的上端开关管、耦接在开关节点与第二端之间的下端开关管、以及耦接在开关节点与第四端之间的谐振腔。具体地，如图2A所示，第一变换单元101包括第一钳位电容器CA11、第一上端开关管SHA1、第一下端开关管SLA1以及第一谐振腔，第二变换单元102包括具有第二钳位电容器CB11、第二上端开关管SHB1、第二下端开关管SLB1以及第二谐振腔。第一变换单元101的第一端耦接至电源的第一端以接收输入电压Vin，第一变换单元101的第二端耦接至负载R的第一端以提供输出电压Vo。第二变换单元102的第一端耦接至电源的第二端，第二变换单元102的第二端耦接至负载R的第二端。在图2A所示的实施例中，第一谐振腔包含串联连接的第一谐振电容器CA1和第一谐振电感器LA1，第二谐振腔包含串联连接的第二谐振电容器CB1和第二谐振电感器LB1。但本领域技术人员可以理解，谐振腔也可以采用其他的谐振架构，这样的变形并未超出本专利技术的保护范围。根据本专利技术实施例的谐振开关电容变换器可以采用占空比为50％的控制信号来控制，如图3所示的信号Vg1与Vg2，其中Ts代表开关周期。信号Vg1用于控制开关管SHA1、SLB1、SFS1以及SFS2，信号Vg2用于控制开关管SLA1、SHB1、SLS1以及SLS2。忽略死区时间的影响，在信号Vg1和Vg2的控制下，变换器交替运行于工作模式1和工作模式2。在工作模式1下，如图4A所示，开关管SHA1、SLB1、SFS1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振开关电容变换器，包括：第一变换单元和第二变换单元，均具有第一端、第二端、第三端、第四端与开关节点，且均包括耦接在第一端与第三端之间的钳位电容器、耦接在第一端与开关节点之间的上端开关管、耦接在开关节点与第二端之间的下端开关管、以及耦接在开关节点与第四端之间的谐振腔，其中第一变换单元的第一端耦接至电源的第一端，第一变换单元的第二端耦接至负载的第一端，第二变换单元的第一端耦接至电源的第二端，第二变换单元的第二端耦接至负载的第二端；以及整流单元，具有第一整流开关管、第二整流开关管、第三整流开关管以及第四整流开关管，其中第一与第四整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至负载的第一端，第二与第三整流开关管的第二端耦接在一起并耦接至负载的第二端，第一整流开关管的第二端与第三整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第四端，第四整流开关管的第二端与第二整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第三端。

【技术特征摘要】
1.一种谐振开关电容变换器，包括：第一变换单元和第二变换单元，均具有第一端、第二端、第三端、第四端与开关节点，且均包括耦接在第一端与第三端之间的钳位电容器、耦接在第一端与开关节点之间的上端开关管、耦接在开关节点与第二端之间的下端开关管、以及耦接在开关节点与第四端之间的谐振腔，其中第一变换单元的第一端耦接至电源的第一端，第一变换单元的第二端耦接至负载的第一端，第二变换单元的第一端耦接至电源的第二端，第二变换单元的第二端耦接至负载的第二端；以及整流单元，具有第一整流开关管、第二整流开关管、第三整流开关管以及第四整流开关管，其中第一与第四整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至负载的第一端，第二与第三整流开关管的第二端耦接在一起并耦接至负载的第二端，第一整流开关管的第二端与第三整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第四端，第四整流开关管的第二端与第二整流开关管的第一端耦接在一起并耦接至第一与第二变换单元的第三端。2.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，其中谐振腔具有串联连接的谐振电容器和谐振电感器。3.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，还包括与第一变换单元具有相同内部结构的第三变换单元，其中第三变换单元的第一端耦接至电源的第一端，第三变换单元的第二端耦接至第一变换单元的第一端，第三变换单元的第三端耦接至第一变换单元的第三端，第三变换单元的第四端耦接至第一变换单元的第四端。4.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，还包括与第二变换单元具有相同内部结构的第四变换单元，其中第四变换单元的第一端耦接至电源的第二端，第四变换单元的第二端耦接至第二变换单元的第一端，第四变换单元的第三端耦接至第二变换单元的第三端，第四变换单元的第四端耦接至第二变换单元的第四端。5.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，具有第一工作模式和第二工作模式，其中：在第一工作模式下，第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管导通，第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三整流开关管和第四整流开关管关断；在第二工作模式下，第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管关断，第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三整流开关管和第四整流开关管导通。6.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，其中第一至第四整流开关管为二极管。7.如权利要求1所述的谐振开关电容变换器，还包括控制器，该控制器基于流过第一谐振腔与第二谐振腔的电流，决定第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管的共同导通时刻，以及第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三整流开关管和第四整流开关管的共同导通时刻，该控制器还分别检测流过第一至第四整流开关管的电流是否过零，并根据检测结果决定第二变换单元内的下端开关管和第一整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的上端开关管和第二整流开关管的共同关断时刻、第一变换单元内的下端开关管和第三整流开关管的共同关断时刻、以及第二变换单元内的上端开关管和第四整流开关管的共同关断时刻。8.一种用于如权利要求1至6中任一项所述的谐振开关电容变换器的控制器，该控制器基于流过第一谐振腔与第二谐振腔的电流，决定第一变换单元内的上端开关管、第二变换单元内的下端开关管、第一整流开关管和第二整流开关管的共同导通时刻，以及第一变换单元内的下端开关管、第二变换单元内的上端开关管、第三...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑皓谦，
申请(专利权)人：成都芯源系统有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51