谐振开关电容直流电压变换器制造技术

本发明专利技术为一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中，第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间。与传统的开关电容直流电压变换器相比，本发明专利技术的优点在于降低了复杂性、损耗和成本，提高了速度，且避免了局限性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及谐振开关电容直流电压变换器。技术背景在直流电源变换领域，采用一种结合开关和电容的变换电路来变换不同电压。此类变换器将电容用于储存电能，称之为开关电容变换器(SwitchedCapacity Converter, SCC)。由于此类变换器没有电感或变压器，其体积小于其他类型的变换器且易于在集成电路上制成。但是，在为开关电容充电放电时通常会出现高尖峰电流。因此，此类变换器通常用于低压环境。美国专利公开号US20040141345A1提供了一种称为谐振开关电容变换器 (SwitchedCapacitor Resonant Converter, SCRC)的新的开关电容电路，其可工作在高开关频率以及高电压环境下。SCRC是基于去除包括谐振变换器的主磁能存储设备而设计的。SCRC工作在零电流开关环境，如开关损耗极低且没有EMI (Electromagneticlnterference,电磁干扰)问题。而且，其效率也相当高，有可能高于90%。其结构简单，在电路中只了加入一个与开关电容一起谐振的小电感，因此磁性部件的成本较低。虽然SCRC具有诸多优点，但简单门驱动电路不可应用于该变换器，需要隔离变压器和/或半桥门驱动，因此提高了 SCRC的复杂性。而且，门驱动变压器中的寄生电感限制了驱动速度，导致在高频应用中产生更多开关损耗。半桥门驱动具有高频操作的局限性而且变换器成本提高。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种谐振开关电容直流电压变换器，该直流变换器将采用简单门驱动电路，降低了 SCRC的复杂性，同时通过降低寄生电感提高了驱动速度，降低了高频应用中的开关损耗，而且避免了高频操作的局限性，降低了变换器的成本。为了达到上述专利技术目的，本专利技术为一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中， 第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间；该第一开关和该第二开关为绝缘栅双极型晶体管或一对互补金属氧化物半导体场效应管开关；其中该第一开关和该第二开关为一对互补金属氧化物半导体场效应管开关时，该第一开关是P沟道金属氧化物半导体场效应管，该第二开关是N沟道金属氧化物半导体场效应管；且开关、电压节点、二极管、负线之间的连接关系为以下三种之一第一种所述第一开关和第二开关串联在第一电压节点和负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间；第二种所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间；第三种所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间。如本专利技术优选具体实施例所述的直流电压变换器，其中，所述控制电路为自启动门驱动控制电路。如本专利技术优选具体实施例所述的直流电压变换器，其中，当所述连接关系为第二种时，所述控制电路利用所述第一节点和第二节点之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源如本专利技术优选具体实施例所述的谐振开关电容直流电压变换器，其中，当所述连接关系为第三种时，所述控制电路利用所述第一电压节点和所述负线之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。本专利技术有点在于应用简单门驱动，降低了 SCRC的复杂性，同时通过降低寄生电感提高了驱动速度，降低了高频应用中的开关损耗，而且避免了高频操作的局限性，降低了变换器的成本。附图说明以下参照附图详述本专利技术的优点和特征，其中图1为根据本专利技术具体实施例的升压型谐振开关电容直流电压变换器的电路图；图2和图3为图1所示电路的工作原理示意图；图4为图1所示电路的门极和电流波形图；图5为图1所示电路的门极源极电压和电容电流波形图；图6为图1所示电路的漏极门极电压和电容电流波形图；图7为根据本专利技术具体实施例的降压型谐振开关电容直流电压变换器的电路图； 以及图8为根据本专利技术具体实施例的逆变型谐振开关电容直流电压变换器的电路图。具体实施方式图1所示为升压型谐振开关电容直流电压变换器13的电路图。直流电压变换器 13包括一对互补金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关4、5。开关4是P沟道金属氧化物半导体场效应管，而开关5是N沟道金属氧化物半导体场效应管。在其他实施例中，亦可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)及其它适用的半导体开关。每个开关都配有反向并联二极管作为MOSFET封装的一部分。第一和第二二极管6、7串联在第一和第二电压节点1、 2之间。直流电压变换器13在第一电压节点1和地或负线3之间具有第一电压VI，在第二电压节点和地或负线3之间具有第二电压电压V2。地或负线3位于任一电压低于节点1、2 的电势。两个滤波电容8、11分别与第一和第二电压端Vl、V2并联。中心抽头电感10连接在第一和第二 M0SFET4、5之间。谐振电容9连接在二极管 6、7的共同节点和电感10的中心节点15之间。在变换器中，电容9提供主要储能器件。电感10可采用由聚合物粘合磁芯所制成的电感或空心电感与电容9产生谐振。自驱门驱动控制电路12为M0SFET4、5提供开关门信号。门驱动控制电路12在门极和源极之间提供高电压来开启N沟道M0SFET5并关断P沟道M0SFET4。门驱动控制电路12提供零伏特或最好负电压来开启P沟道M0SFET4并关断N沟道M0SFET5。优选的，输入电压Vl应小于或等于M0SFET4、5的门极和源极之间的最高电压。门驱门驱动电路12可为集成电路或具有高速晶振电路来提供必要的门极驱动信号。直流电压变换器13为升压型电压变换器。电压Vl为输入端而V2为输出端。在理想情况下，电压V2等于电压Vl的两倍。直流电压变换器13通过电容9充电放电工作。电容9作用为与电感10谐振的电容从而为MOSFET获取零电流开关环境。当M0SFET4开启，二极管7正向偏置并开启，电流通过包括M0SFET4、电感10的上部电感，开关电容以及二极管7的串联电路。最初，电感中的电流总为零；因此开启状态下串联电路的电流为零。由于串联的电容9以及电感10的上部电感，在串联电路中的电流为以为周期的正弦曲线，其中L是电感10的电感值，C是电容9的电容值。假设首先通过正电流，在第一半周期的末端，二极管7反向偏置从而抵消负半周期的电流。零电流环境产生且M0SFET4关断。第二 M0SFET5开启且二极管6正向偏置。最初电流为零且谐振电流的负半周期流过。在负半周期的末端，二极管6反向偏置，产生零电流环境。通过长于LC 谐振电流半个周期的MOSFET开关时间，达到产生零电流开关的效果。因为开关电容9通过谐振正弦电流充电放电，所以电路不存在电流尖峰问题。图2和图3显示一个升压开关周期的两个阶段，粗体表示电流通路。图4显示门极和电流波形。参照图1和图4，本专利技术的升压型开关电容变换器包括一对互补P沟道/N沟道 M0SFET4、5。自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中，第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，其特征在于，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑家伟，何濠辉，丁凯，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]