利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法技术

本发明专利技术利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法，是属于电子器件或开关电源领域。它是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元，由二个以上的开关电容单元排列成矩阵电路，构成直流变压器，利用纵向、横向的开关控制电压的变换。该变压器传能方式为电场能→电场能，能流密度高，效率可达９０％以上，利于集成工艺，可做成小型单片式的ＤＣ／ＤＣ变压器产品。在小的功率领域中代替传统的ＤＣ／ＤＣ变换器，利于电子设备小型化。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利属于电子器件或开关电源领域。已有技术我们知道变压器是在磁性材料构成的磁路上饶两组(或两组以上)线圈，通常称为初级、次级，在其初级上输入一个交流电压，就会在次级上输出一个同频的交流电压，其电压输入输出比为u1u2=N1N2---(1)]]>其中μ1是输入电压，μ2是输出电压，N1是初级线圈，N2是次级线圈。其物理特性是，根据电磁定律，初级线圈的交变电流产生一个交变磁场，再由交变磁场在次级线圈产生一个交变电流。因此，磁变压器只能变换交流电，不能变换直流电。从能量的观点看，它是电场能转换为磁场能，再由磁场能转换为电场能。即电场能→磁场能→电场能。由于磁变压器不能转换直流电，所以在实际应用中，直流到直流变换器通常是先将直流变换为高频交流(或脉冲形式)，再用高频磁变压器变压，其后再高频整流、滤波，得到所需的直流。这就是实际的DC/DC模块电源产品的工作原理。磁变压器已广范应用，其能量的转换效率高(可达99％以上)、可靠性好，唯一缺点是重量、体积大。随着电子技术的发展，人们对电子设备小型化的要求越来越高。对于磁变压器，提高其工作频率，可以在某一程度减小体积、重量，但是改善有限，不能广泛满足电子设备对于小型化发展的要求。目前的变压器，基本上是指磁性变压器。随着新材料的出现，压电陶瓷变压器也出现。但是它也只能变换交流，而且只能工作在某一特定频段，传输能量的方式是，电场能→机械能→电场能。目前已经在某些特殊领域应用，如高压点火。压电陶瓷变压器虽然体积可以比较小，但是能量转换的效率低(40％左右)，功率小，一般在数瓦之内。本专利技术的思想如附图说明图1所示，利用矩阵电路中，每个电容的储能特性及利用矩阵电容阵列的变化进行充、放电来实现直流电压的变换，其传输能量的方式是电场能→电场能。因此特提出利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路和方法。本专利技术的方案电路是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元如图4，再由二个以上的开关电容单元按纵向和横向排列成矩阵电路，电路的输入电容为Ci，输出电容为Co，见图1。工作时，操作的方法是，在开关电容矩阵电路中，加输入直流电压Ui在输入电容Ci上，接通开关电容单元的纵向开关，断开其横向的开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为串联，再在横向为并联，如图2所示。此时输入电压Ui向所有开关电容单元中的电容进行充电。当充电到一定值后，再断开开关电容单元的纵向转换开关，接通它的横向开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为并联，横向为串联，如图3所示，此时开关电容矩阵沿横向与输出电容Co形成回路。开关电容单元中的电容将其已充入的电能，沿放电回路放电到输出电容Co上。循环往复，在输出电容Co上得到稳定的输出电压Uo，因此，输入电压Ui转换为输出电压Uo达到直流变压作用。其传输能量的方式直接是电场能→电场能。本专利技术专利的基本工作原理是如图1所示，输入直流电压Ui加在输入电容Ci上，电容矩阵内所有电容的两端均与所有1(图2注明的触点)连接(即纵向串联)，如图2所示，M个电容串联，再N组并联，此时，输入电压Ui对所有电容充电，我们设所有电容是同一电容值，且设计充电时间可使所有电容充满。此时，每个电容上的电压均是输入电压的M分之一uik(t)=UiM---(2)]]>此时，我们将所有电容同时顺时针转90度，即所有电容的两端与2(图3注明的触点)连接(即横向串联)，如图3所示。我们知道，电容上的电压不能跳变，由于电路结构的变化，变为N个电容串联，再M组并联，并与输出电容Co形成回路，矩阵内电容就会向输出电容Co放电，输出电容Co上的电压会逐步上升。以上的充、放电过程不断重复，达到稳定，可得输出电容Co上的电压是N乘以单个电容上的电压，所以，输出电压是Uo=NUiM---(3)]]>故，我们可得UoUi=NM---(4)]]>因此，我们利用开关电容矩阵，设计出该直流变压器，其变换比由(4)式给出，其M为电容矩阵行，N为电容矩阵列，Ui为输入电压，Uo为输出电压。我们知道，电容矩阵，是由完全相同的M×N个电容构成。电容矩阵旋转90度从理论上说是可行的，但是在电路中难以实现。因此，我们用一组开关来实现，如图4所示是一个开关电容单元，统一协调一致，控制开关的通、断，可实现上述同样的目的，实现能量的传递。本专利技术制作的直流变压器只有电容和电子开关组成，无磁性元件，因此它的体积小、重量轻、效率高，即是考虑到开关元件有一定损耗，其效率也可达90％以上，变换比容易设计。其传能的方式为电场能→电场能，不是磁变压器的传能方式，电场能→磁场能→电场能，也不是陶瓷变压器的传能方式，电场能→机械能→电场能。因此能流密度更高。因为不需用磁性材料，所以本直流变压器能实现集成电路(电容和电子开关MOS管均可集成)。虽然具体电路的实现仍有一定难度，但是考虑到它是由一个个简单的单元电路，线性排列组合成矩阵形式，特别适合于集成工艺设计。电子设备的小型化是人们追求的目标。本专利技术尽管其控制复杂，集成工艺设计有一定难度，但是随着电子技术的进步，这些问题将会越来越容易解决。因此根据这一思路，开关电容矩阵原理的小型单片式DC/DC变压器(变换器)，将能够作成产品，并可根据要求，方便地设计其变换比。该产品有广泛的应用前景，如可在许多电路板中替代传统的DC/DC变换器。实施例结合附图通过实施例进一步说明本专利技术。开关的具体实现可由电子开关元件实现，我们以MOS管来实现具体的开关，其单元电路可由图5所示。我们以M＝3，N＝2的开关电容矩阵为例来说明，具体电路图由图6所示。由6个单元构成，其开关MOS管的驱动由时钟信号控制，时钟分为两路。第一路(图7上)控制所有纵向的MOS管，当其为高电平时，所有纵向MOS管导通时，即充电期(相当于前面所述的所有矩阵内电容纵向串联，输入电压Ui向矩阵电容充电)。第二路(图7下)控制所有横向的MOS管，与第一路控制信号互补，并保留一定死区时间(在此短暂时间内，所有的MOS管均关闭状态)，当第二路控制信号高电平时，所有横向的MOS管导通，即为放电期。时钟信号详细时序如图7所示。为了利于理解，根据实际情况，我们简化电路模型，作如下假设(1)MOS管是理想的，即导通时，导通电阻为0，截止时，导通电阻为无穷大。(2)矩阵电容的每个电容均相等。(3)导线和电容的等效电阻忽略不计。其一个周期的工作过程如下充电期t1≤t≤t2，第一路时钟高电平，触发所有纵向MOS管的栅极，使所有纵向MOS管导通(此时所有横向MOS管为截止状态)。根据假设(1)，图6电路可等效为图8(a)所示电路，在输入电容Ci上加入输入电压Ui，与电容矩阵电路构成一个充电回路。根据假设(2)，所有电容相等，且根据假设(3)，可知当充电期结束时，即t2时，每个电容上的电压均被充满，并等于Ui/M。如果我们假设输入电压Ui是3V，此时充到每个电容上的电压值是1V。过度区1t2≤t≤t3，控制时钟信号均为低电平，控制使所有MOS管处于截止状态，由于电容的储能特性，每个电容上电压保持不变，仍为1V。放电期t3≤t≤t4，第二路时钟高电平，触发所有横向MOS管栅极，使所有横向的MOS管导通(此时所有纵向的MOS管为截止状态)。其等效电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路，其特征是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元，由二个以上的开关电容单元按纵向和横向排列成矩阵电路，电路的输入电容为Ｃ↓［ｉ］，输出电容为Ｃ↓［ｏ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟洪声，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]