CN103259402A - 一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源 - Google Patents

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关浩
周乃文
李武华
何湘宁
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Abstract

本发明公开了一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源，包括直流电源和DC-DC变换器，DC-DC变换器包括开关电容单元和与开关电容单元相连的能量传递单元；开关电容单元由2n+1个开关电容模块M1～M2n+1依次串联组成；其中，开关电容单元中处于最中间的开关电容模块Mn+1与直流电源并联。本发明利用对称电路结构可以实现直流电压Vin上下两端的电容上的充放电电流方向相反，电容电压纹波部分反相相消，从而实现抑制输出电压纹波大小的功能，提高了输出电压的质量，避免常规电路中使用电感元件带来的额外电路损耗，大大提高了电路的工作效率，减小了电路的体积。

Description

一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源
技术领域
本发明属于DC-DC升压变换技术领域，具体涉及一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源。
背景技术
近年来，能源的短缺和环境的污染已经成为世界的焦点，可再生能源的发展和应用受到世界各国的广泛关注。在可再生能源发电系统中，许多可再生能源发出的电能都是电压较低的直流电，而向电网送电需要电压较高的直流电，因此需要直流—直流变换器把低电压直流电转换为适合并网的高电压直流电。在清洁能源电动汽车领域中，往往需要将电池提供的低压单一的直流电转换为不同电压值的高压直流电，这就在DC-DC转换中的效率和输出直流电压的稳定性方面有很高的要求。所以低输出电压纹波、高增益、高效率的变换器在可再生能源并网发电和清洁能源电动汽车应用领域里有着非常重要的作用。
常规的DC-DC升压变换器结构简单，应用广泛，但该类变换器的输出电压电流波动较大，需要加入滤波电感，进一步增加了成本、降低了效率。例如常用的Boost升压电路，因为其输出侧二极管的电流是脉动的，使得输出电压纹波很大，所以在实际应用中，在二极管和输出级间需要串联一个滤波电感。
常用的变压器隔离型直流升压变换电路，因其电路中含有变压器，体积大大增加了，不利用大规模集成化生产，而且其变压器中含有磁芯材料，损耗会大大增加，导致效率的进一步提高受到了很大的限制。
常规的DC-DC变换电路大多数是通过串联电感器件来减少输出电流文波，但所有功率均经过电感器件，在一定程度上增加了电路的体积、增加了电路的EMI（电磁干扰），并且不利于电路的集成化生产，电感损耗会进一步降低了电路的效率。近年来相继出现了一些固定变比的开关电容型变换器，虽然在主电路中避免了使用电感元件，但是其输出电压纹波较大，制约了该类电路在实际生产生活中的进一步应用。为解决开关电容型直流变换器的输出电电压纹波问题，常规的做法是在输出侧加电感器件，但这样做会增加电路的损耗，降低效率，并且增加了电路的尺寸，制约了该类直流变换器的集成化生产。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源，能够有效减小输出电压纹波。
一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源，包括一直流电源和一DC-DC变换器，所述的DC-DC变换器用于对直流电源两端电压进行倍比升压后输出；
所述的DC-DC变换器包括开关电容单元和与开关电容单元相连的能量传递单元；所述的开关电容单元由2n+1个开关电容模块M1～M2n+1依次串联组成，n为自然数；其中，开关电容单元中处于最中间的开关电容模块Mn+1与所述的直流电源并联。
优选地，所述的开关电容模块由一电容C和两个开关管S1～S2组成；其中，电容C的一端与开关管S1的一端相连并构成开关电容模块的一端，开关管S1的另一端与开关管S2的一端相连并构成开关电容模块的中间节点，开关管S2的另一端与电容C的另一端相连并构成开关电容模块的另一端，两个开关管S1～S2的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号；有利于在系统中的通用性及集成化生产。
优选地，所述的开关管S1接收的开关控制信号与开关管S2接收的开关控制信号相位互补且存在死区时间；能够防止一个模块中的两个开关管同时导通时整个电路的短路现象。
优选地，所述的能量传递单元由2n个电容C1～C2n串联组成，能量传递单元从一端至另一端依次包含有2n+1个连接端子p1～p2n+1；其中，2n+1个连接端子p1～p2n+1包括2n个电容C1～C2n串联后形成的2个悬空端以及2n-1个连接节点；所述的2n+1个连接端子p1～p2n+1分别与2n+1个开关电容模块M1～M2n+1的中间节点对应连接；输入源通过能量传递单元将其能量传递给各个级联模块，最终实现输出电压的倍压功能。
优选地，所述的开关电容模块中的电容采用电解电容；相对其他类型的电容，在相同的大容量时具有更高的耐压值，电解电容能够承受开关电容模块中因开关管的突然关断和开通造成的大的冲击电压和电流。
优选地，所述的能量传递单元中的电容采用电解电容；电解电容的容量相对其他类型的电容要大，这样其可以储存和转移更多的电荷量，适合电路中用来能量传递，特别适合大功率场合的应用。
优选地，所述的开关管采用MOS管或IGBT；导通阻抗小，这样其导通损耗就小，电路的效率高，并且有利于电路的散热问题。
本发明的工作原理在于：通过开关管S1～S2的互补开通关断来实现直流电源电压Vin对各级开关电容的充电，使得各级电容获得与电压Vin相同的电压，再通过电容的串联实现输出电压Vout的倍压功能。本发明将直流电源设置在中间位置，形成对称电路结构，使得在同一个工作状态时处于输入电源上下两端的电容充放电电流方向相反，从而实现电容电压纹波反相，一个周期内电压脉动相互抑制，输出电压纹波部分相消。
本发明的有益技术效果如下：
（1）本发明DC-DC变换器工作时，利用对称电路结构可以实现直流电压Vin上下两端的电容上的充放电电流方向相反，电容电压纹波部分反相相消，从而实现抑制输出电压纹波大小的功能，提高了输出电压的质量。
（2）本发明DC-DC变换器在不使用电感元件的条件下，通过对称电路结构实现抑制输出电压电流纹波的功能，避免常规电路中使用电感元件带来的额外电路损耗，大大提高了电路的工作效率，并且有利于解决电路的散热问题。
（3）本发明电路是基与单元模块化的设计，可以通过集成化实现任意奇数倍变比的直流升压变换，并且可以通过调整控制信号的占空比来实现非整数倍变比的功能。
（4）本发明电路中不使用电感元件，大大减小了电路的体积，便于集成化生产。
附图说明
图1为本发明直流源的结构示意图。
图2为开关电容模块的结构示意图。
图3为开关电容模块中开关管的控制信号示意图。
图4为传统非对称结构直流源的结构示意图。
图5为传统非对称结构直流源输出纹波电压的波形示意图。
图6为本发明对称结构直流源输出纹波电压的波形示意图。
图5和图6的横坐标为时间t（单位ms），纵坐标为输出纹波电压Vout_ripple（单位V）。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。
如图1所示，一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源，包括一直流电源E和一DC-DC变换器；其中：
DC-DC变换器用于对直流电源E两端电压Vin进行倍比升压后输出电压Vout；其包括开关电容单元和与开关电容单元相连的能量传递单元；
开关电容单元由3个开关电容模块M1～M3依次串联组成；其中，开关电容单元中处于最中间的开关电容模块M2与直流电源E并联。
如图2所示，开关电容模块由一电解电容C和两个NMOS管S1～S2组成；其中，电解电容C的正极与NMOS管S1的漏极相连并构成开关电容模块的一端，NMOS管S1的源极与NMOS管S2的漏极相连并构成开关电容模块的中间节点，NMOS管S2的源极与电解电容C的负极相连并构成开关电容模块的另一端，两个NMOS管S1～S2的栅极均接收外部设备提供的开关控制信号。
如图3所示，NMOS管S1栅极接收的开关控制信号Vgs1与开关管S2接收的开关控制信号Vgs2相位互补且存在死区时间Tdead。
能量传递单元由两个电解电容Ca～Cb串联组成，能量传递单元从一端至另一端依次包含有3个连接端子p1～p3；其中，3个连接端子p1～p3包括两个电解电容Ca～Cb串联后形成的2个悬空端以及1个连接节点；3个连接端子p1～p2n+1分别与3个开关电容模块M1～M3的中间节点对应连接。
如图1所示，本实施方式的工作状态如下：
阶段1：开关管S1导通，S2关断，此时电容C1和Ca并联，电容电压VC1=VCa；C2、Cb和直流电源E并联，电容电压VC2=VCb=Vin；C3的电容电压VC3=Vin；输出电压Vout=VC1+VC2+VC3。
阶段2：开关管S1关断后，S2导通的瞬间，此时电容C3和Cb并联，由节点电荷守恒定理可以得出：电容电压VC3=VCb=(2Vin+ΔU3)/2；C2、Ca和直流电源E并联，电容电压VC2=VCa=(2Vin+ΔU1)/2；输出电压Vout=VC1+VC2+VC3；其中ΔU1、ΔU3分别为电容C1和电容C3的电压纹波大小。
阶段3：开关管S1关断，S2导通，此时电容C3和Cb并联；C2、Ca和直流电源E并联；输出电压Vout=VC1+VC2+VC3。
阶段4：开关管S1关断后，S2开通的瞬间，电容C1和Ca并联，电容电压VC1=VCa=Vin+ΔU1；C2、Cb和直流电源E并联，电容电压VC2=VCb=Vin；C3的电容电压为VC3=Vin+ΔU3；输出电压Vout=VC1+VC2+VC3。
阶段5：返回阶段1，循环进行。
本实施方式电路在上述工作状态下，可以实现输出电压文波的相互抵消，实现该类交错互联型DC-DC变换器的最小输出电压文波，大大提高了输出电压的质量。
以下我们利用电力电子电路专业仿真软件Saber对本实施方式和传统非对称结构直流源进行仿真；仿真分为两组，第一组是采用本实施方式对称电路结构实现3倍电压变比的DC-DC变换；第二组，采用传统非对称结构直流源实现3倍电压变比的效果，传统非对称结构直流源电路如图4所示。
两组仿真实验除电路的结构不同外，所选用的实验器件，控制信号等其他仿真条件的设置完全一样。
仿真实验结果如图5～6所示，从图中可见相对非对称结构（图5），本实施方式（图6）利用对称电路结构实现了对输出电压脉动和纹波抑制的良好效果。

Claims (7)

1.一种基于对称结构的开关电容倍压型直流源，包括一直流电源和一DC-DC变换器，所述的DC-DC变换器用于对直流电源两端电压进行倍比升压后输出；其特征在于：
所述的DC-DC变换器包括开关电容单元和与开关电容单元相连的能量传递单元；所述的开关电容单元由2n+1个开关电容模块M1～M2n+1依次串联组成，n为自然数；其中，开关电容单元中处于最中间的开关电容模块Mn+1与所述的直流电源并联。
2.根据权利要求1所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的开关电容模块由一电容C和两个开关管S1～S2组成；其中，电容C的一端与开关管S1的一端相连并构成开关电容模块的一端，开关管S1的另一端与开关管S2的一端相连并构成开关电容模块的中间节点，开关管S2的另一端与电容C的另一端相连并构成开关电容模块的另一端，两个开关管S1～S2的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号。
3.根据权利要求2所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的开关管S1接收的开关控制信号与开关管S2接收的开关控制信号相位互补且存在死区时间。
4.根据权利要求1或2所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的能量传递单元由2n个电容C1～C2n串联组成，能量传递单元从一端至另一端依次包含有2n+1个连接端子p1～p2n+1；其中，2n+1个连接端子p1～p2n+1包括2n个电容C1～C2n串联后形成的2个悬空端以及2n-1个连接节点；所述的2n+1个连接端子p1～p2n+1分别与2n+1个开关电容模块M1～M2n+1的中间节点对应连接。
5.根据权利要求2所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的开关电容模块中的电容采用电解电容。
6.根据权利要求4所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的能量传递单元中的电容采用电解电容。
7.根据权利要求2所述的开关电容倍压型直流源，其特征在于：所述的开关管采用MOS管或IGBT。
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