一种高阶开关电容电路的参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高阶开关电容电路的参数设计方法，属于电路参数设计技术领域，解决了现有高阶开关电容电路参数设计存在的参数结果复杂、甚至难以求解的问题。方法包括：根据母线分压电容的分压情况确定电路等效的理想变压器的变比；分析电路在慢开关极限条件下的工作状态，获取各控制模态下的电容的电荷流动图，并根据电容的电荷流动图及变比确定理想变压器在慢开关极限条件下的等效输出阻抗；分析电路在快开关极限条件下的工作状态，获取各控制模态下的开关器件的电荷流动图，并根据开关器件的电荷流动图及变比确定理想变压器在快开关极限条件下的等效输出阻抗；基于快、慢开关极限条件下的等效输出阻抗，设计电容及开关器件的参数。器件的参数。器件的参数。

【技术实现步骤摘要】
一种高阶开关电容电路的参数设计方法


[0001]本专利技术涉及电路参数设计
，尤其涉及一种高阶开关电容电路的参数设计方法。

技术介绍

[0002]在开关电源领域，随着科学技术的发展与需求的日益提高，作为电源工程师们极力追求高效率与高功率密度的必然结果，电源的高频化集成化已然是大势所趋。然而以往的硬开关电源却有些捉襟见肘，高频化带来的开关损耗提升是难以避免的障碍，而若没有高频作为基础，高功率密度更是无从谈起。巨大体积的磁性元件使硬开关电源在高精密领域的供电中表现不佳。
[0003]开关电容电路出现的很早，但却是最近几年才开始得到重视的变流电路，这类电路是由半导体开关器件(如MOSFET、二极管等)和电容构成的独特结构。因为不采用磁性元件，所以特别容易集成设计和制造，功率密度高，而且抗电磁干扰能力优秀。而且开关电容技术是一门适用范围较广的技术，很适合与诸多拓扑结构共同使用，例如开关电容结合多电平技术，结合各类DC
‑
DC变换器，都可以有效地缩小变换器的体积，提升其功率密度。但是目前关于开关电容的参数设计的文献资料甚少，阻碍了开关电容电路的应用推广。
[0004]所有的开关电容电路均可等效为一个理想变压器串联输出电阻的等效模型，其中理想变压器的变比可以依据电路结构确定。而等效输出阻抗则受到多方面参数的影响，包括开关电容值、开关频率、开关管导通电阻及驱动信号占空比等。如图1所示，为一个基本开关电容电路。两个开关管(考虑导通电阻)和一个电容确定了一个单稳态时间常数。给定一个接近于其时间常数的开关周期，然后分析这个简单开关结构，可以类比得出开关电容通用的等效输出阻抗计算方法。
[0005]电路的电荷转移与电容上的纹波电压成正比，所以首先要确定纹波幅值。由于电路是对称的，并且以50％的占空比工作，波形将关于电容充电的峰值V1和放电谷值V2的平均值对称。纹波幅值可以表示为如下所示：
[0006][0007]求解纹波幅值：
[0008]Δv(2
‑
(1
‑
e
‑
T/2RC
))＝(V1‑
V2)(1
‑
e
‑
T/2RC
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0009][0010]又因为V1和V2之间转移的电荷与纹波电压成比例，所以电路中流动的平均电流为：
[0011][0012]最后，输出阻抗可由输出电压与电流之比以及开关周期T来给出：
[0013][0014]然而，这是对于仅有单RC环节的简单开关电容电路而言的。上述的分析过程，可以类比到高阶开关电容结构中，然而按照这种方式计算等效输出阻抗，其结果往往会非常复杂，甚至难以求解。

技术实现思路

[0015]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种高阶开关电容电路的参数设计方法，用以解决现有高阶开关电容电路参数设计存在的参数结果复杂、甚至难以求解的问题。
[0016]本专利技术公开了一种高阶开关电容电路的参数设计方法，根据电容在电路中的位置将电容分为飞跨电容和母线分压电容；所述方法包括：
[0017]根据所述电路中母线分压电容的分压情况，确定所述电路等效的理想变压器的变比；
[0018]分析电路在慢开关极限条件下的工作状态，获取电路在各控制模态下的电容的电荷流动图，并根据电容的电荷流动图及所述变比确定所述理想变压器在慢开关极限条件下的等效输出阻抗；
[0019]分析电路在快开关极限条件下的工作状态，获取电路在各控制模态下的开关器件的电荷流动图，并根据开关器件的电荷流动图及所述变比确定所述理想变压器在快开关极限条件下的等效输出阻抗；
[0020]基于所述快、慢开关极限条件下的等效输出阻抗，设计所述电路中的电容及开关器件的参数；
[0021]其中，电路中的各电容完全相同、各开关器件完全相同。
[0022]在上述方案的基础上，本专利技术还做出了如下改进：
[0023]进一步，通过执行以下操作确定慢开关极限条件下的等效输出阻抗：
[0024]基于电容的电荷流动图及所述变比，确定每一存在电荷转移的电容在每一控制模态下的标准电荷转移矢量；
[0025]根据存在电荷转移的电容的标准电荷转移矢量，得到所述慢开关极限条件下的等效输出阻抗。
[0026]进一步，通过执行以下操作确定快开关极限条件下的等效输出阻抗：
[0027]基于开关器件的电荷流动图及所述变比，确定每一开关器件在每一控制模态下的标准电荷转移矢量；
[0028]根据每一开关器件的标准电荷转移矢量，得到所述快开关极限条件下的等效输出阻抗。
[0029]进一步，所述慢开关极限条件下的等效输出阻抗R
SSL
表示为：
[0030][0031]其中，表示第j个控制模态下的第i个存在电荷转移的电容的标准电荷转移矢量，i的取值范围为1到m，m表示存在电荷转移的电容的总数；j的取值范围为1到n，n表示控
制模态的总数；C表示电容的电容值，f
sw
表示开关器件的开关频率。
[0032]进一步，所述快开关极限条件下的等效输出阻抗R
FSL
表示为：
[0033][0034]其中，表示第j个控制模态下的第λ个开关器件的标准电荷转移矢量，λ的取值范围为1到l，l表示开关器件的总数；R表示开关器件的导通电阻。
[0035]进一步，通过执行以下操作设计所述电路中的电容及开关器件的参数：
[0036]根据R
SSL
和R
FSL
，确定等效理想变压器的等效输出阻抗R
O
的表达式为：
[0037][0038]绘制等效理想变压器的等效输出阻抗R
O
随开关器件的导通电阻R、开关器件的开关频率f
sw
及电容的电容值C的变化曲线；
[0039]根据所述变化曲线设计所述电路中的电容及开关器件的参数R、f
sw
及C。
[0040]进一步，所述存在电荷转移的电容包括飞跨电容、以及存在电荷转移的母线分压电容；所述控制模态分为充电模态和放电模态；
[0041]通过执行以下操作确定每一存在电荷转移的电容在每一控制模态下的标准电荷转移矢量：
[0042]在充电模态下，根据所述变比，确定母线分压电容均分输入电压源输入的电荷流，获得存在电荷转移的母线分压电容的电荷流；并依据节点电荷守恒，获得飞跨电容的电荷流；
[0043]在放电模态下，根据电容的电荷守恒以及充电模态下的各电容的电荷流，获取放电模态下各存在电荷转移的电容的电荷流；
[0044]将每一存在电荷转移的电容在每一控制模态下的电荷流与单位电荷量的比值作为相应的标准电荷转移矢量。
[0045]进一步，通过执行以下操作确定每一开关器件在每一控制模态下的标准电荷转移矢量：
[0046]根据节点电荷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高阶开关电容电路的参数设计方法，其特征在于，根据电容在电路中的位置将电容分为飞跨电容和母线分压电容；所述方法包括：根据所述电路中母线分压电容的分压情况，确定所述电路等效的理想变压器的变比；分析电路在慢开关极限条件下的工作状态，获取电路在各控制模态下的电容的电荷流动图，并根据电容的电荷流动图及所述变比确定所述理想变压器在慢开关极限条件下的等效输出阻抗；分析电路在快开关极限条件下的工作状态，获取电路在各控制模态下的开关器件的电荷流动图，并根据开关器件的电荷流动图及所述变比确定所述理想变压器在快开关极限条件下的等效输出阻抗；基于所述快、慢开关极限条件下的等效输出阻抗，设计所述电路中的电容及开关器件的参数；其中，电路中的各电容完全相同、各开关器件完全相同。2.根据权利要求1所述的高阶开关电容电路的参数设计方法，其特征在于，通过执行以下操作确定慢开关极限条件下的等效输出阻抗：基于电容的电荷流动图及所述变比，确定每一存在电荷转移的电容在每一控制模态下的标准电荷转移矢量；根据存在电荷转移的电容的标准电荷转移矢量，得到所述慢开关极限条件下的等效输出阻抗。3.根据权利要求2所述的高阶开关电容电路的参数设计方法，其特征在于，通过执行以下操作确定快开关极限条件下的等效输出阻抗：基于开关器件的电荷流动图及所述变比，确定每一开关器件在每一控制模态下的标准电荷转移矢量；根据每一开关器件的标准电荷转移矢量，得到所述快开关极限条件下的等效输出阻抗。4.根据权利要求3所述的高阶开关电容电路的参数设计方法，其特征在于，所述慢开关极限条件下的等效输出阻抗R
SSL
表示为：其中，表示第j个控制模态下的第i个存在电荷转移的电容的标准电荷转移矢量，i的取值范围为1到m，m表示存在电荷转移的电容的总数；j的取值范围为1到n，n表示控制模态的总数；C表示电容的电容值，f
sw
表示开关器件的开关频率。5.根据权利要求4所述的高阶开关电容电路的参数设计方法，其特征在于，所述快开关极限条件下的等效输出阻抗R
FSL
表示为：其中，表示第j个控制模态下的第λ个开关器件的标准电荷转移矢量，λ的取值范围为1到l，l表示开关器件的总数；R表示开关器件的导通电阻。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇豪，刘博禹，张斌，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：