并联型混合功率变换器制造技术

本申请公开了一种并联型混合功率变换器。该并联型混合功率变换器包括：第一输入电容和第二输入电容，彼此串联连接在输入端与地之间，并且，所述第二输入电容连接在第一节点和地之间，所述输入端接收直流输入电压；以及开关电感模块和开关电容模块，分别对所述第一输入电容和所述第二输入电容的电压分量进行电压转换，以及共同连接至输出端以提供直流输出电压，其中，所述开关电感模块具有升压拓扑结构，所述开关电容模块与所述第二输入电容一起形成电容串联供电拓扑结构。该并联型混合功率变换器中的开关电感模块和开关电容模块形成并联供电方案，不仅可以减小电感尺寸实现小型化，而且可以提高电路的转换效率以及降低开关元件的电压应力。元件的电压应力。元件的电压应力。

【技术实现步骤摘要】
并联型混合功率变换器


[0001]本专利技术涉及功率变换器，更具体地，涉及一种电感和电容二者作为储能元件的并联型混合功率变换器。

技术介绍

[0002]功率变换器是将输入电压转换成期望的输出电压或输出电流的功率模块。功率变换器包括开关元件和储能元件，开关元件根据控制信号周期性地导通和断开，储能元件则相应地储存能量和释放能量，从而在功率变换器的输出端提供输出电压信号。
[0003]在采用电感作为储能元件的功率变换器中，采用反馈环路调节控制信号的占空比，可以获得大致恒定的输出电压或输出电流，采用调节元件调节控制信号的占空比，可以调节输出电压或输出电流的值。在电容作为储能元件的功率变换器中，开关元件的导通时间和关断时间大于充电时间常数和放电时间常数，在稳态下获得与输入电压成固定比例的输出电压。
[0004]图1a和图1b分别示出根据现有技术的开关电容型功率变换器的示意性电路图以及控制信号的工作波形图。在功率变换器中，开关元件Q1和Q2交替导通和关断，电容C1周期性地充电和放电，将电能从输入端传输至输出端，输出电容Co连接在输出端以滤除纹波以获得稳定的输出电压，例如，与输入电压为1：1的固定比例的输出电压。与采用电感的功率变换器相比，采用开关电容拓扑的功率变换器具有电容尺寸小、电路转换效率和功率密度高、开关元件电压应力低的优点，但存在着难以灵活调节输出电压、开关元件数量多、控制电路设计困难的缺点。
[0005]因此，需要开发出新型的并联型混合功率变换器电路，兼顾传统的电感和采用电容的功率变换器的优点，从而提供高转换效率、高功率密度的功率解决方案。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种并联型混合功率变换器，其中，利用串联连接的输入电容实现开关电感模块和开关电容模块的并联供电方案，以减小电感尺寸实现小型化，以及提高电路的转换效率以及降低开关元件的电压应力。
[0007]根据本专利技术的实施例，提供一种并联型混合功率变换器，包括：第一输入电容和第二输入电容，彼此串联连接在输入端与地之间，并且，所述第二输入电容连接在第一节点和地之间，所述输入端接收直流输入电压；以及开关电感模块和开关电容模块，分别对所述第一输入电容和所述第二输入电容的电压分量进行电压转换，以及共同连接至输出端以提供直流输出电压，其中，所述开关电感模块具有升压拓扑结构，所述开关电容模块与所述第二输入电容一起形成电容串联供电拓扑结构。
[0008]优选地，所述开关电容模块包括：多个第一开关元件，所述多个第一开关元件串联连接所述输出端与地之间，在所述多个第一开关元件的相邻开关元件之间形成有第二节点和第三节点；以及至少一个第一电容，所述至少一个第一电容连接在所述第二节点和所述
第三节点之间。
[0009]优选地，在开关周期的第一时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容与所述第一输入电容串联连接，以形成串联充电路径，在开关周期的第二时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容与所述第二输入电容串联连接，以形成串联供电路径。
[0010]优选地，所述多个开关元件根据第一控制信号和第二控制信号之一切换导通状态，所述第一控制信号和所述第二控制信号是具有所述开关周期的互补信号。
[0011]优选地，所述多个第一开关元件的相邻开关元件以互补方式切换导通状态。
[0012]优选地，所述第一控制信号的占空比为0.5。
[0013]优选地，所述并联型混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，
[0014]Vo＝(N+1)*Vi/(1+N*(1
‑
D1))
[0015]其中，Vo表示直流输出电压，Vi表示直流输入电压，D1表示开关电感模块的控制信号的占空比，N表示开关电容模块中的第一电容的数量。
[0016]优选地，所述至少一个第一电容包括单个第一电容或者彼此串联连接的多个第一电容。
[0017]优选地，所述至少一个第一电容连接在位于所述第二节点和所述第三节点之间的所述多个第一开关元件的一组相邻开关元件之间，并且，所述相邻开关元件的中间节点连接至所述第一节点。
[0018]优选地，所述至少一个第一电容包括彼此串联连接的多个第一电容。
[0019]优选地，所述至少一个第一电容依次连接在位于所述第二节点和所述第三节点之间的所述多个第一开关元件的多组相邻开关元件之间。
[0020]优选地，还包括：至少一个第二电容，所述至少一个第二电容连接在所述第一输入电容和所述第二输入电容之间，其中，所述至少一个第二电容与所述第一输入电容和所述第二输入电容形成多组相邻电容的中间节点。
[0021]优选地，所述多组相邻开关元件的中间节点分别连接至所述多组相邻电容的中间节点。
[0022]优选地，还包括：至少一个第二电容，所述至少一个第二电容分别将所述多组相邻开关元件的中间节点连接至所述第一节点。
[0023]优选地，所述开关电容模块还包括：至少一个第一电感，所述至少一个电感分别与所述至少一个第一电容串联连接以形成至少一个谐振电路。
[0024]优选地，在开关周期的第一时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容和所述个第一电感与所述第一输入电容串联连接，以形成串联充电路径，在开关周期的第二时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容和所述个第一电感与所述第二输入电容串联连接，以形成串联供电路径。
[0025]优选地，所述开关周期对应于所述至少一个谐振电路的谐振频率。
[0026]本专利技术的有益效果是：根据本专利技术提供的并联型混合功率变换器，能提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo，通过分别改变第一组控制信号和第二组控制信号的占空比，以获得预定电压范围内期望的输出电压。因此，该并联型混合功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力(regulation)，获得期望的转换比。
[0027]根据本专利技术提供的并联型混合功率变换器，将电感和电容一起作为储能元件，电
容的能量密度远远高于电感。与传统的仅采用电感的功率变换器相比，并联型混合功率变换器具有更高的功率密度(high density)。与传统的仅采用电容的功率变换器相比，混合变换器可以利用电感实现输出电压调节能力(regulation)，电路的平滑启动(smooth startup)和多项电路之间的均流(scalability)。
[0028]根据本专利技术提供的并联型混合功率变换器，并联型混合功率变换器包括串联连接的第一输入电容和第二输入电容。功率变换器的开关电感模块和开关电容模块分别对第一输入电容和第二输入电容的电压分量进行转换。该功率变换器中的开关电感模块和开关电容模块形成并联供电方案。由于开关元件的电压应力小于输入电压，因此允许采用低额定电压的开关元件。与高额定电压的开关元件相比，采用低额定电压的开关元件有着低开关损耗和低导通损耗的优势。因此，该并联型混合功率变换器可以运行在高开关频率的同时还提高电路的转换效率(high 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联型混合功率变换器，包括：第一输入电容和第二输入电容，彼此串联连接在输入端与地之间，并且，所述第二输入电容连接在第一节点和地之间，所述输入端接收直流输入电压；以及开关电感模块和开关电容模块，分别对所述第一输入电容和所述第二输入电容的电压分量进行电压转换，以及共同连接至输出端以提供直流输出电压，其中，所述开关电感模块具有升压拓扑结构，所述开关电容模块与所述第二输入电容一起形成电容串联供电拓扑结构。2.根据权利要求1所述的并联型混合功率变换器，其中，所述开关电容模块包括：多个第一开关元件，所述多个第一开关元件串联连接所述输出端与地之间，在所述多个第一开关元件的相邻开关元件之间形成有第二节点和第三节点；以及至少一个第一电容，所述至少一个第一电容连接在所述第二节点和所述第三节点之间。3.根据权利要求2所述的并联型混合功率变换器，其中，在开关周期的第一时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容与所述第一输入电容串联连接，以形成串联充电路径，在开关周期的第二时间段，所述多个开关元件将所述至少一个第一电容与所述第二输入电容串联连接，以形成串联供电路径。4.根据权利要求4所述的并联型混合功率变换器，其中，所述多个开关元件根据第一控制信号和第二控制信号之一切换导通状态，所述第一控制信号和所述第二控制信号是具有所述开关周期的互补信号。5.根据权利要求4所述的并联型混合功率变换器，其中，所述多个第一开关元件的相邻开关元件以互补方式切换导通状态。6.根据权利要求4所述的并联型混合功率变换器，其中，所述第一控制信号的占空比为0.5。7.根据权利要求2所述的并联型混合功率变换器，其中，所述并联型混合功率变换器连续的开关周期中稳态下的输出电压如下，Vo＝(N+1)*Vi/(1+N*(1
‑
D1))其中，Vo表示直流输出电压，Vi表示直流输入电压，D1表示开关电感模块的控制信号的占空比，N表示开关电容模块中的第一电容的数量。8.根据权利要求2所述的并联型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎坚，
申请(专利权)人：杭州艾诺半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：