混合功率变换器制造技术

本申请公开了混合功率变换器。该混合功率变换器包括：第一电感，连接至混合功率变换器的输入端；开关电容网络，连接在第一电感和混合功率变换器的输出端之间，其中，开关电容网络包括多个开关元件、多个电容、以及至少一个第二电感，至少一个第二电感与多个电容中的第一组电容串联连接形成谐振电路，多个开关元件根据多个控制信号控制多个开关元件的导通和关断，从而周期性地改变多个电容的连接路径，使得第一电感、至少一个第二电感和多个电容进行充电和放电，混合功率变换器调节控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。该混合功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力、实现电路小型化以及提高电路的转换效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
混合功率变换器


[0001]本技术涉及功率变换器，更具体地，涉及电感和电容二者作为储能元件的混合功率变换器。

技术介绍

[0002]功率变换器是将输入电压波形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电能和释放电能，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1b分别示出根据现有技术的开关电容网络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，本技术的目的在于提出了一种混合功率变换器，其中，将电感和电容二者作为储能元件，采用多个开关元件周期性地改变所述多个电容的连接路径，使得所述电感和所述多个电容进行充电和放电以获得在预定电压范围内可以调节的输出电压。
[0007]根据本实施新型的实施例，提供一种混合功率变换器，其特征在于，包括：第一电感，连接至所述混合功率变换器的第一端；开关电容网络，连接在所述第一电感和所述混合功率变换器的第二端之间，其中，所述开关电容网络包括多个开关元件、多个电容、以及至少一个第二电感，所述至少一个第二电感与所述多个电容中的第一组电容串联连接形成谐振电路，所述多个开关元件根据多个控制信号控制所述多个开关元件的导通和关断，从而周期性地改变所述多个电容的连接路径，使得所述第一电感、所述至少一个第二电感和所述多个电容进行充电和放电，所述混合功率变换器调节所述控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。
[0008]优选地，所述开关电容网络的所述多个开关元件包括：第一组开关元件，包括串联
连接在所述功率变换器的第二端和地之间的第二开关元件和第一开关元件，所述第二开关元件和所述第一开关元件形成第一节点；第二组开关元件，包括串联连接在所述功率变换器的第二端和地之间的第四开关元件和第三开关元件，所述第四开关元件和所述第三开关元件形成第二节点；以及第三组开关元件，与所述第一电感串联连接在所述功率变换器的第一端和第二端之间，所述第三组开关元件与所述第一电感之间以及彼此之间形成第三组节点，其中，所述多个电容的第一端顺序连接至所述第三组节点中的相应节点，第二端交替连接至所述第一节点和所述第二节点之一。
[0009]优选地，所述多个电容根据所述第三组节点的顺序分成偶数序号的第一组电容和奇数序号的第二电容，所述第一组电容中的每个电容与相应的第二电感串联连接形成谐振电路，或者所述第二组电容中的每个电容与相应的第二电感串联连接形成谐振电路。
[0010]优选地，所述多个开关元件的多个控制信号具有与所述谐振电路的谐振频率相对应的开关周期。
[0011]优选地，所述第三组开关元件的数量与所述多个电容的数量相同。
[0012]优选地，所述多个控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号分别为包括导通时间和关断时间的周期性信号，并且彼此互补。
[0013]优选地，所述第一开关元件、所述第四开关元件和所述第三组开关元件中的奇数序号的开关元件的控制端接收所述第一控制信号，所述第二关元件、所述第三开关元件和所述第三组开关元件中的偶数序号的开关元件的控制端接收所述第二控制信号。
[0014]优选地，在所述开关电容网络中选择所述多个电容的数量以获得预定电压范围，通过调节所述第一控制信号和所述第二控制信号的占空比以获得所述预定电压范围内期望的输出电压。
[0015]优选地，所述混合功率变换器的第一端作为输入端以接收所述输入电压，所述功率变换器的第二端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器作为降压变换器工作。
[0016]优选地，所述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，
[0017]Vo＝Vi/(N+0.5)
[0018]其中，Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D＝0.5表示第一控制信号占空比，N表示电容的数量，且N是大于等于2的自然数。
[0019]优选地，还包括：输出电容，所述输出电容连接在所述功率变换器的第二端和地之间。
[0020]优选地，所述混合功率变换器的第二端作为输入端以接收所述输入电压，所述功率变换器的第一端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器作为升压变换器工作。
[0021]优选地，所述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＝Vi*(N+0.5)其中，
[0022]Vo表示输出电压，Vi表示输入电压，D＝0.5表示第一控制信号占空比，N表示电容的数量，且N是大于等于2的自然数。
[0023]优选地，还包括：输出电容，所述输出电容连接在所述功率变换器的第一端和地之间。
[0024]根据上述实施例的混合功率变换器，提供与输入电压Vi成比例的输出电压Vo，通过改变控制信号的占空比可以获得预定电压范围内期望的输出电压。因此，该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。
[0025]根据上述实施例的混合功率变换器，在功率变换器的输入端和开关电容网络之间串联连接电感。与传统的采用电感的功率变换器相比，在一个开关周期内，开关元件导通或者关断时施加在此电感的伏秒乘积大幅减小。即使采用小尺寸的电感也可以达到高转换效率的要求。因此，该混合功率变换器可以减小电感尺寸以实现小型化。
[0026]根据上述实施例的混合功率变换器，在开关电容网络中，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 efficiency)。
[0027]根据上述实施例的混合功率变换器，在开关电容网络中，第一组电容或第二组电容与相应的第二电感串联连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合功率变换器，其特征在于，包括：第一电感，连接至所述混合功率变换器的第一端；开关电容网络，连接在所述第一电感和所述混合功率变换器的第二端之间，其中，所述开关电容网络包括多个开关元件、多个电容、以及至少一个第二电感，所述至少一个第二电感与所述多个电容中的第一组电容串联连接形成谐振电路，所述多个开关元件根据多个控制信号控制所述多个开关元件的导通和关断，从而周期性地改变所述多个电容的连接路径，使得所述第一电感、所述至少一个第二电感和所述多个电容进行充电和放电，所述混合功率变换器调节所述控制信号的占空比，从而将输入电压转换成期望的输出电压。2.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其特征在于，所述开关电容网络的所述多个开关元件包括：第一组开关元件，包括串联连接在所述功率变换器的第二端和地之间的第二开关元件和第一开关元件，所述第二开关元件和所述第一开关元件形成第一节点；第二组开关元件，包括串联连接在所述功率变换器的第二端和地之间的第四开关元件和第三开关元件，所述第四开关元件和所述第三开关元件形成第二节点；以及第三组开关元件，与所述第一电感串联连接在所述功率变换器的第一端和第二端之间，所述第三组开关元件与所述第一电感之间以及彼此之间形成第三组节点，其中，所述多个电容的第一端顺序连接至所述第三组节点中的相应节点，第二端交替连接至所述第一节点和所述第二节点之一。3.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其特征在于，所述多个电容根据所述第三组节点的顺序分成偶数序号的第一组电容和奇数序号的第二电容，所述第一组电容中的每个电容与相应的第二电感串联连接形成谐振电路，或者所述第二组电容中的每个电容与相应的第二电感串联连接形成谐振电路。4.根据权利要求3所述的混合功率变换器，其特征在于，所述多个开关元件的多个控制信号具有与所述谐振电路的谐振频率相对应的开关周期。5.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其特征在于，所述第三组开关元件的数量与所述多个电容的数量相同。6.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其特征在于，所述多个控制信号包括第一控制信号和第...

【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：新型
国别省市：