CN103580501A - 固定变比1/4或4的切换开关电容型ac-ac变换器 - Google Patents

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本发明公开了一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器。包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；两个相邻的功率开关组串联后的两端均连接有电容；驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。当降压变换器时，输入端连接在八组功率开关组的两端，输出端连接在任一电容的两端；当升压变换器时，输入端连接在任一电容的两端，输出端连接在八组功率开关组的两端。本发明仅以电容作为储能元件，不含有磁性元件，实现输入输出固定变比为1/4或4，降低了变换器的体积，具有等效内阻小、功率密度高的特点；并且具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。

Description

固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器
技术领域
本发明涉及了一种AC-AC变换器，尤其是涉及一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器。
背景技术
传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点。同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。
电力电子系统集成化的关键技术之一是磁性元件(电感或变压器)的小型化和微型化，在软开关技术下提高开关频率无疑是一个十分有效的措施，这样电路中电感和变压器的体积都可以缩小，整个电路的性能都得到提升；然而，当开关频率达到400KHz-500KHz左右时，主开关与磁性元件的损耗增加，转换效率下降，电磁噪声加大，用于抑制噪声的滤波电容的体积随着增大，再提高开关频率，只能带来负面的影响，因此，通过提高开关频率的方式减小电源体积己经没有余地。
减少磁性元件的基本思路是发展无感变换器，开关电容型AC-AC变换器就是一种典型的无感变换器，它是将电容和一定数量的功率开关组合起来，电容的充放电通过对功率开关的控制实现，由电容和功率开关的组合实现许多不同变比的电路。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，深入研究开关电容型AC-AC变换器原理,本发明的目的在于提供一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器，设计了结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器来取代传统的变压器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；
第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，第四电容并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，第五电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，第六电容并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，第七电容并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端。
当所述的变换器为降压变换器时，输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，输出端连接在七个电容任一一个电容的两端；当所述的变换器为升压变换器时，输入端连接在七个电容任一一个电容的两端，输出端连接在八组功率开关组依次连接后的两端。
所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载电阻连接。
所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，实现了输入输出电压的固定变比为1/4或4，降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度，等效内阻减轻。
本发明由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。
附图说明
图1是本发明为降压变压器时输出输入电压变比为1/4的电路拓扑图。
图2是本发明为升压变压器时输出输入电压变比为4的电路拓扑图。
图3是本发明中功率开关管接收驱动的PWM信号波形图。
图中：ui、输入电压，RL、负载电阻，uo、输出电压，D、PWM信号的占空比，TS、PWM信号周期。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；第一电容并联在第一功率开关组、第二功率开关组的两端，第二电容并联在第三功率开关组、第四功率开关组的两端，第三电容并联在第五功率开关组、第六功率开关组的两端，第四电容并联在第七功率开关组、第八功率开关组的两端，第五电容并联在第二功率开关组、第三功率开关组的两端，第六电容并联在第四功率开关组、第五功率开关组的两端，第七电容并联在第六功率开关组、第七功率开关组的两端。
当所述的变换器为降压变换器时，输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，输出端连接在七个电容任一一个电容的两端；当所述的变换器为升压变换器时，输入端连接在七个电容任一一个电容的两端，输出端连接在八组功率开关组依次连接后的两端。
所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载电阻RL连接。
所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
如图1、图2所示，八组功率开关组：第一功率开关组S1包括源极相互串联的功率开关管M1和功率开关管M2，第二功率开关组S2包括源极相互串联的功率开关管M3和功率开关管M4，第三功率开关组S3包括源极相互串联的功率开关管M5和功率开关管M6，第四功率开关组S4包括源极相互串联的功率开关管M7和功率开关管M8，第五功率开关组S5包括源极相互串联的功率开关管M9和功率开关管M10，第六功率开关组S6包括源极相互串联的功率开关管M11和功率开关管M12，第七功率开关组S7包括源极相互串联的功率开关管M13和功率开关管M14，第八功率开关组S8包括源极相互串联的功率开关管M15和功率开关管M16。
如图1、图2所示，七个电容分别为电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7。
电容C1并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，电容C2并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，电容C3并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，电容C4并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，电容C5并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，电容C6并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，电容C7并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端。
当变换器的电路拓扑结构为降压变换器时，电路中各电容两端的电压等于输入电压ui的1/4，并且不含有直流分量，变换后的输出电压uo为输入电压ui的1/4，可以实现固定电压变比1/4；当变换器的电路拓扑结构为升压变换器时，电路中各电容两端的电压等于输入电压，并且不含有直流分量，变换后的输出电压uo为输入电压ui的4倍，可以实现固定电压变比4。
电路中不含有磁性元件，仅由电容和功率开关管组成，与传统的开关电源相比，体积大大减小，重量大大减轻，提高了功率密度，等效内阻大大减轻。
电容C5确保电容C1 和电容C2两端的电压平衡，电容C6确保电容C2 和电容C3两端的电压平衡，电容C7确保电容C3 和电容C4两端的电压平衡。在整个电压周期中，电路中各个电容两端的电压都等于输入电压的1/4。
驱动电路提供驱动各个功率开关管的PWM信号，控制功率开关管的导通与关断，使电路工作在不同的状态。由于一般功率开关管的导通电压为15V-20V，我们可以首先采用诸如SG3525 的集成PWM控制芯片产生PWM信号，通过简单的驱动电路将集成PWM控制芯片产生的电压放大，以达到一般功率开关管的导通电压，以达到对功率开关管导通与关闭的控制。集成PWM控制芯片产生的PWM信号如图3所示，其中PWM信号周期(即功率开关管的开关周期0设为Ts，信号占空比为D。在一个周期内，当DTs 为正半周期信号时，（1-D）为负半周期信号，两个半周期交替进行。当DTs 为PWM信号正半周期信号时，假设对功率开关组S1 、S3 、S5 、S7进行导通控制，此时对功率开关组S2、S4、S6、S8进行关闭控制。当（1-D）Ts为正半周期信号时，假设对功率开关组S1 、S3 、S5 、S7进行导通控制，此时对功率开关组S2、S4、S6、S8进行关闭控制。为了保证电路及电路中个电容上的电压稳定与平衡，我们通常采用的占空比为0.5。
因此在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，在一个开关周期中，变换器有两种具体工作状态，以输入电压正半周期为例，工作状态描述如下：
第一个状态：第一功率开关组S1、第三功率开关组S3、第五功率开关组S5和第七功率开关组S7闭合，第二功率开关组S2、第四功率开关组S4、第六功率开关组S6和第八功率开关组S8断开。
在这种状态下，电容C5充电，电容C6放电，电容C7充电。首先，电容C1和电容C3放电，电容C2和电容C4充电，直到电流减小为零。电容C1和电容C3开始充电，电容C2和电容C4开始放电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C5充电，电容C6放电，电容C7充电。电能由输入电压ui传输给电路。这个状态结束时，第一功率开关组S1、第三功率开关组S3、第五功率开关组S5和第七功率开关组S7断开，第二功率开关组S2、第四功率开关组S4、第六功率开关组S6和第八功率开关组S8闭合。
第二个状态：功率开关组S1、S3、S5、S7断开，功率开关组S2、S4、S6、S8闭合。首先，电路将电能传输给输入电压ui。在这个状态下，电容C5放电，电容C6充电，电容C7放电。电容C1和C3充电，电容C2和电容C4放电，直到电流减小为零，此时电能由输入电压ui传输给电路。电容C1和C3开始放电，电容C2 和电容C4开始充电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C5放电，电容C6充电，电容C7放电。这个状态结束时，第一功率开关组S1、第三功率开关组S3、第五功率开关组S5和第七功率开关组S7闭合，第一功率开关组S1、第三功率开关组S3、第五功率开关组S5和第七功率开关组S7断开。
第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。
在输入电压的负半周期，变换器有着相似的工作状态，只是电流的方向相反。
在整个工作状态中，各个功率开关管的工作频率均为100KHz。
如图2所示，将输入端与输出端互换位置，电路拓扑结构为升压变换器，可以实现输入输出电压变比为4，同样可以实现上述类似的工作状态。
综上所述，本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，实现输入输出电压的固定变比为1/4或4，降低了变换器的体积，提高了变换器的功率密度，减小了系统的等效内阻值。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，第四电容并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，第五电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，第六电容并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，第七电容并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端。
2.根据权利要求1所述的一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：当所述的变换器为降压变换器时，输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，输出端连接在七个电容任一一个电容的两端；当所述的变换器为升压变换器时，输入端连接在七个电容任一一个电容的两端，输出端连接在八组功率开关组依次连接后的两端。
3.根据权利要求2所述的一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载电阻连接。
4.根据权利要求1所述的一种固定变比1/4或4的切换开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104052307A (zh) * 2014-06-17 2014-09-17 厦门大学 一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器
CN104779808A (zh) * 2015-04-26 2015-07-15 中国计量学院 实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器
CN104779809A (zh) * 2015-04-26 2015-07-15 中国计量学院 级联型实现任意合数变比的开关电容型ac-ac变换器
CN112234843A (zh) * 2020-10-20 2021-01-15 华北科技学院 一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器
CN113098264A (zh) * 2021-04-09 2021-07-09 华中科技大学 一种开关电容-差分开关电源复合dc-dc变换器
US11632056B2 (en) 2019-06-14 2023-04-18 Huawei Digital Power Technologies Co., Ltd. Off-grid phase splitter and inverter system

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1076317A (zh) * 1992-03-10 1993-09-15 周符明 直流分压器
US20070014135A1 (en) * 2003-10-03 2007-01-18 Christophe Taurand Alternating current converter
US20090322304A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Oraw Bradley S Series and parallel hybrid switched capacitor networks for ic power delivery
US20090322414A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Oraw Bradley S Integration of switched capacitor networks for power delivery
CN101765962A (zh) * 2007-08-01 2010-06-30 英特赛尔美国股份有限公司 兼备电容式分压器,降压转换器及电池充电器的电压转换器
US20110090721A1 (en) * 2009-07-15 2011-04-21 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Capacitive matrix converters
US8259476B2 (en) * 2008-07-29 2012-09-04 Shmuel Ben-Yaakov Self-adjusting switched-capacitor converter with multiple target voltages and target voltage ratios
WO2013085537A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Intel Corporation Switched capacitor based multiple output fixed ratio converter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1076317A (zh) * 1992-03-10 1993-09-15 周符明 直流分压器
US20070014135A1 (en) * 2003-10-03 2007-01-18 Christophe Taurand Alternating current converter
CN101765962A (zh) * 2007-08-01 2010-06-30 英特赛尔美国股份有限公司 兼备电容式分压器,降压转换器及电池充电器的电压转换器
US20090322304A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Oraw Bradley S Series and parallel hybrid switched capacitor networks for ic power delivery
US20090322414A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Oraw Bradley S Integration of switched capacitor networks for power delivery
US8259476B2 (en) * 2008-07-29 2012-09-04 Shmuel Ben-Yaakov Self-adjusting switched-capacitor converter with multiple target voltages and target voltage ratios
US20110090721A1 (en) * 2009-07-15 2011-04-21 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Capacitive matrix converters
WO2013085537A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Intel Corporation Switched capacitor based multiple output fixed ratio converter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROMERO L. ANDERSEN ET AL.: "A 1-kW Step-Up/S tep-Down Switched-Capacitor AC-AC Converter", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104052307A (zh) * 2014-06-17 2014-09-17 厦门大学 一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器
CN104052307B (zh) * 2014-06-17 2017-06-30 厦门大学 一种桥式模块化多电平双向开关电容交流‑交流变换器
CN104779808A (zh) * 2015-04-26 2015-07-15 中国计量学院 实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器
CN104779809A (zh) * 2015-04-26 2015-07-15 中国计量学院 级联型实现任意合数变比的开关电容型ac-ac变换器
US11632056B2 (en) 2019-06-14 2023-04-18 Huawei Digital Power Technologies Co., Ltd. Off-grid phase splitter and inverter system
CN112234843A (zh) * 2020-10-20 2021-01-15 华北科技学院 一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器
CN112234843B (zh) * 2020-10-20 2022-03-22 华北科技学院 一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器
CN113098264A (zh) * 2021-04-09 2021-07-09 华中科技大学 一种开关电容-差分开关电源复合dc-dc变换器

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