一种高功率密度DC-DC转换器制造技术

本发明专利技术属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种高功率密度DC

【技术实现步骤摘要】
一种高功率密度DC
‑
DC转换器


[0001]本专利技术属于电源管理
，具体的说是涉及一种高功率密度DC
‑
DC转换器。

技术介绍

[0002]近年来随着数字能源和数字经济的蓬勃发展，对电力系统的能耗要求越来越高。许多供电领域都出现了提高母线电压以应对激增的负载端功耗。如数据中心直流供电系统正在由传统的12V母线向48V母线发展，新能源汽车面向负载端的配电网络正在从12V的配电系统向48V的系统转变。这种变化是由耗电的电子驱动功能的增加和自动驾驶汽车的出现所引起的，这些系统如激光雷达、照相机和超声波传感器对配电系统产生了额外的需求。负载端的电压如CPU和微处理器MCU等工作电压不但没有升高，反而随着先进制程的发展，工作电压甚至可降低至1V以下。因此为了提高整个供电通路的能耗比和功率密度，研究新型高功率密度的一级转换方式变得十分有必要。但传统DC
‑
DC变换器架构如图1所示，在高频和高功率密度的限制下难以实现高电压转比。因此开发新型高变比转换结构是学术界和工业界的共同追求。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出了一种高功率密度DC
‑
DC转换器。
[0004]本专利技术的技术方案为：
[0005]一种高功率密度DC
‑
DC转换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容、第二电容、第一电感和第二电感；所述第一开关管的一端接输入电源Vin，其另一端接第一电容的一端和第二开关管的一端；第二开关管的另一端接第三开关管的一端和第二电容的一端；第三开关管的另一端接第一电容的另一端和第四开关管的一端；第四开关管的另一端接第六开关管的一端和第二电感的一端，第六开关管的另一端接地；第二电容的而另一端接第五开关管的一端和第一电感的一端，第五开关管的另一端接地；第一电感的另一端接第二电感的另一端，其连接点为输出端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的耐压为Vin/2，第五开关管和第六开关管的耐压为Vin/4。
[0006]进一步的，转换器包括八个工作状态，分别为：
[0007]第一工作状态：第一开关管、第三开关管、第六开关管闭合，第二开关管、第四开关管、第五开关管断开；
[0008]第二工作状态：第四开关管、第五开关管、第六开关管闭合，第一开关管、第二开关管、第三开关管断开；
[0009]第三工作状态：第三开关管、第四开关管、第五开关管闭合，第一开关管、第二开关管、第六开关管断开；
[0010]第四工作状态：第四开关管、第五开关管、第六开关管闭合，第一开关管、第二开关管、第三开关管断开；
充当连接两端的桥梁。(d)状态同样为双电感对地放电，S4仍需闭合。此时前四个状态已经结束，但只有电容C2完成一次充放电，C1仅在(a)状态被电源充电，无放电过程，因此图4将展示C1的放电过程。
[0029]本专利技术新型DC
‑
DC变换器后四个工作模态可参见图4。其中状态(e)是电容C1经过S6、S4、S2、C2和L1供电至输出端，此时L2自然放电到地。此时，电容C1完成了一次充放电过程，而C2又被C1充电一次，因此需要继续完成放电才可平衡。状态(f)与状态(b)类似。图4
‑
(g)则是C2通过L2对输出端供电，这一过程完成后才标明两个电容的充放电过程达到平衡。但电感需满足伏秒平衡，因此还需增加状态(h)，使得双电感同时放电。至此，一共8个状态完成，电容和电感均完成了一次或多次能量循环，对变换器而言是完成一次能量循环。
[0030]本专利技术新型DC
‑
DC转换器的四个状态(a)、(c)、(e)和(g)的工作时间长必须相等，否则将通过时间积累，逐渐打破系统平衡。为了清楚描述电容与电感与系统参数的关系，对电容与电感分别列出一个周期内的关系式。电容C1的电荷守恒关系为：
[0031][0032]上式当中i
L1
在系统稳定之后，电感电流爬升阶段是稳定不变的。因此C1的充放电平衡只能依靠(a)和(e)状态的占空比决定。电容C2的电荷守恒关系式：
[0033][0034]注意到上式对于C2而言其实经历了两次完整的充放电过程，每次充放电过程应当是平衡的，即ΔQ为零。由此可得出前两项在D
a
等于D
c
的前提下，i
L1
与i
L2
也势必相等，即双电感的平均电流必须相等。同理可得到后两项的电感电流也符合这一关系。倘若四个状态占空比均有较大误差，i
L1
和i
L2
也不再相等，系统将会偏离设定状态，导致电容电压不再是设定值，甚至引起低压器件损坏。
[0035]本专利技术新型DC
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DC转换器的电感伏秒平衡关系式由式(3)和式(4)展示。首先针对L1而言，其8个状态的伏秒关系为：
[0036][0037]同理对L2进行八个状态的伏秒平衡描述：
[0038][0039]通过化简式(3)和式(4)，将得到输入输出关系，以及电容电压与输入电压的关系式。表达式如下：
[0040]VC2＝V
in
/4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0041]V
o
＝D*V
in
/4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0042]从上式可以看到电容C2电压将被系统自动平衡在Vin/4处，而电容C1的电压在伏秒关系中被抵消，这意味着电容C1电压无法被系统自动平衡，但系统依旧可以维持稳定工作
状态。主要原因是C1只给L1补充电荷，并未给L2充电，当系统受到干扰时，电感电流无法互相纠正形成负反馈来调节C1的电荷。而C2为L1和L2交叉充电，当电容电压失衡时，可通过电感电流伏秒平衡进行自适应调节，从而恢复平衡状态。此外，占空比D为S5和S6开关节点的高电平信号的占比。由此可见该架构用6个开关实现Vin/4的预降压，从而实现48
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1V的转换。
[0043]本专利技术新型DC
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DC转换器工作原理仿真波形如图5和图6所示。输入电压为48V，输出电压为1V。其中图5表示6个开关节点PWM波形，可以看到S5和S6的开关频率是其余开关的两倍。图6为六个开关S1‑6两端电压的工作波形图，可看出只有S5和S6压差为Vin/4，其余均为Vin/2电压。因此考虑浪涌电压后，可选择4个工作电压为40V的功率器件和两个耐压为30V的低压器件作为系统实现方案。
[0044]本专利技术新型DC
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DC转换器的负载瞬态特性见图7。由于闭环控制模式与传统双相Buck差异不大，可借用传统双相峰值电流模控制电路对该转换器进行闭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率密度DC
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DC转换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容、第二电容、第一电感和第二电感；所述第一开关管的一端接输入电源Vin，其另一端接第一电容的一端和第二开关管的一端；第二开关管的另一端接第三开关管的一端和第二电容的一端；第三开关管的另一端接第一电容的另一端和第四开关管的一端；第四开关管的另一端接第六开关管的一端和第二电感的一端，第六开关管的另一端接地；第二电容的而另一端接第五开关管的一端和第一电感的一端，第五开关管的另一端接地；第一电感的另一端接第二电感的另一端，其连接点为输出端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的耐压为Vin/2，第五开关管和第六开关管的耐压为Vin/4。2.根据权利要求1所述的一种高功率密度DC
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DC转换器，其特征在于，转换器包括八个工作状态，分别为：第...

【专利技术属性】
技术研发人员：明鑫，林治屹，宫新策，孙天一，王卓，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：