CN104052307A - 一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器 - Google Patents

一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，能实现4X倍的升压/降压交流-交流变换。所述的桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器仅由电容器和双向开关器件组成，其中电容器为无极性电容，每个双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成。当处于升压模式时，输入端与低压源相连，输出端与负载相连；当处于降压模式时，输入端与高压源相连，输出端与负载相连，交换电源与负载即可实现升压/降压转换，控制方式简单。具有能量转换效率高、重量轻、功率密度高、器件总功率等级低、扩展性强等优点，可替代用于家用或商用电器的低功率、低电压自耦变压器。

Description

一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器
技术领域
本发明涉及一种开关电容交流-交流变换器，尤其涉及一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器。 
背景技术
在家用或商用电器中通常采用低功率、低电压的自耦变压器来获得不同数值的交流电压，但是自耦变压器同任何电磁变压器一样，效率差并且会产生相当大的可闻噪声，与此同时用于生产自耦变压器的材料金属铜成本较高，经济效益不佳。开关电容变换器仅由一定数量的电容和开关组成，无磁性元件，具有体积小、重量轻、功率密度大、易集成等优点。开关电容变换器在非隔离直流-直流电力变换上的应用研究已经有了数十年时间，而用于交流-交流变换始于近几年。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，能实现4X倍的升压/降压交流-交流变换。 
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，包括一个H桥、至少一个基本开关电容模块；所述H桥包括二个输入端和四个输出端；所述基本开关电容模块包括四个输入端和二个输出端； 
所述H桥由第一双向开关S1、第二双向开关S2、第三双向开关S3、第四双向开关S4组成；所述双向开关的控制方式为第一双向开关S1和第四双向开关S4同步，第二双向开关S2与第三双向开关S3同步；所述第一双向开关S1和第四双向开关S4的驱动信号与第二双向开关S2与第三双向开关S3的驱动信号之间相差180°； 
所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S7、第八双向开关S8和第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4组成； 
每个所述双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成，驱动信号同时施加到所述两个全控型器件MOSFET的栅极和源极，则实现了双向导通。 
作为优选：所述第一双向开关S1的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向开关S1的第二漏极与所述第二双向开关S2的第一漏极连接；所述第二双向开关S2的第二漏极与输入电源负极连接； 
所述第三双向开关S3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关S3的第二漏极与所述第四双向开关S4的第一漏极连接；所述第四双向开关S4的第二漏极与输入电源负极连接。 
作为优选：所述第五双向开关S5的第一漏极与输入电源正极连接；所述第五双向开关S5的第二漏极与所述第七双向开关S7的第一漏极连接；所述第七双向开关S7的第二漏极为输出电源正极； 
所述第六双向开关S6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关S6的第二漏极与所述第八双向开关S8的第一漏极连接；所述第八双向开关S8的第二漏极为输出电源负极； 
所述第一电容C1连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第五双向开关 S5的第二漏极之间；第一电容C2连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第六双向开关S6的第二漏极之间；第三电容C3连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第七双向开关S7的第二漏极之间；第四电容C4连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第八双向开关S8的第二漏极之间； 
作为优选：所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4为无极性电容。 
作为优选：将所述输入电源与输出电源交换，即可实现降压的功能。 
作为优选：所述基本开关电容模块可以串联形成基本开关电容模块拓扑，每增加一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平升高或降低4倍。 
相较于现有技术，本发明提供的技术方案具备以下有益效果： 
本发明提供的一种桥式模块化开关电容交流-交流变换器，在升压模式下可将电源的交流电压进行4X倍升压，交换电源和负载即可实现4X倍降压。能量转换效率高、重量轻、功率密度高、器件总功率等级低、扩展性强，可替代用于家用或商用电器的自耦变压器。 
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。 
图2为理论波形图，其中：(a)输入和输出电压(b)电容两端电压(c)开关管端电压。 
图3为H桥电路图。 
图4为基本开关电容模块图。 
图5为各开关触发脉冲波形图。 
图6为增加一个基本开关电容模块后的升压电路结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图与实例，对本发明作进一步阐述。 
实施例一： 
本实施例以升压电路为例：参考图1-5，一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，包括一个H桥、至少一个基本开关电容模块；所述H桥包括二个输入端和四个输出端，所述二个输入端分别与输入电源的正极、负极连接；所述四个输出端与所述基本开关电容模块的四个输入端连接；所述基本开关电容模块的二个输出端为输出电源的正负极； 
所述H桥由第一双向开关S1、第二双向开关S2、第三双向开关S3、第四双向开关S4组成；所述双向开关的控制方式为第一双向开关S1和第四双向开关S4同步，第二双向开关S2与第三双向开关S3同步；所述第一双向开关S1和第四双向开关S4的驱动信号与第二双向开关S2与第三双向开关S3的驱动信号之间相差180°，如图5所示； 
所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S7、第八双向开关S8和第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4组成；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4为无极性电容。 
每个所述双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成，驱动信号同时施加到所述两个全控型器件MOSFET的栅极和源极，则实现了双向导通。 
所述第一双向开关S1的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向开关S1的第二漏极与所述第二双向开关S2的第一漏极连接；所述第二双向开关S2 的第二漏极与输入电源负极连接； 
所述第三双向开关S3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关S3的第二漏极与所述第四双向开关S4的第一漏极连接；所述第四双向开关S4的第二漏极与输入电源负极连接。 
所述第五双向开关S5的第一漏极与输入电源正极连接；所述第五双向开关S5的第二漏极与所述第七双向开关S7的第一漏极连接；所述第七双向开关S7的第二漏极为输出电源正极； 
所述第六双向开关S6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关S6的第二漏极与所述第八双向开关S8的第一漏极连接；所述第八双向开关S8的第二漏极为输出电源负极； 
所述第一电容C1连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第五双向开关S5的第二漏极之间；第一电容C2连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第六双向开关S6的第二漏极之间；第三电容C3连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第七双向开关S7的第二漏极之间；第四电容C4连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第八双向开关S8的第二漏极之间； 
在一个开关周期中，桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器有两种工作状态。现对工作状态说明如下： 
(1)开关S1、S4、S6、S7导通，开关S2、S3、S5、S8关断。C1、C4放电，C2、C3充电，其中电源对C2充电，同时电源与C1串联对C3充电。 
(2)开关S2、S3、S5、S8导通，开关S1、S4、S6、S7关断。C1、C4充电，C2、C3放电，其中电源对C1充电，同时电源与C2串联对C4充电。 
两个工作状态交替进行。在整个工作状态中，开关频率为100kHz，驱动信号占空比为0.5。电源分别将C1、C2充电至电压Vlow，电源分别与C2、C1串联对 C4、C3充电至电压2Vlow。C3、C4串联得到输出电压4Vlow。 
Vlow负半周时电路拓扑状态如图1所示。工作原理与Vlow正半周时一致，但流经开关管的电流方向改变，开关管反向导通。 
参考图2，为本实施例的理论波形图，其中vpk为低压侧电压峰值，VC1、VC2、VC3、VC4为电容两端电压，VS1、VS2、VS3、VS4为开关管端电压。由图上可以看出，上述的理论说明很好地得到了实验数据的支持。 
实施例二： 
参考图5，如要实现8倍的升压，只需在当前基本开关电容模块后再添加一个基本开关电容模块形成基本开关电容模块拓扑，原理同上所述。 
实施例三： 
若要形成降压变换器，则只需要将实施例一中的输入电源和输出电源的位置交换，即可实现。 
综上所述，本发明所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器仅由电容和开关器件以及相关驱动电路组成，控制简单，无磁性元件，电容电压不含直流成分，具有高效率、高功率密度、扩展性强的优点，可以实现4X倍的升压/降压交流-交流变换。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (6)

1.一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于包括一个H桥、至少一个基本开关电容模块；所述H桥包括二个输入端和四个输出端；所述基本开关电容模块包括四个输入端和二个输出端； 
所述H桥由第一双向开关S1、第二双向开关S2、第三双向开关S3、第四双向开关S4组成；所述双向开关的控制方式为第一双向开关S1和第四双向开关S4同步，第二双向开关S2与第三双向开关S3同步；所述第一双向开关S1和第四双向开关S4的驱动信号与第二双向开关S2与第三双向开关S3的驱动信号之间相差180°； 
所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S7、第八双向开关S8和第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4组成； 
每个所述双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成，驱动信号同时施加到所述两个全控型器件MOSFET的栅极和源极，则实现了双向导通。 
2.根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于：所述第一双向开关S1的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向开关S1的第二漏极与所述第二双向开关S2的第一漏极连接；所述第二双向开关S2的第二漏极与输入电源负极连接； 
所述第三双向开关S3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关S3的第二漏极与所述第四双向开关S4的第一漏极连接；所述第四双向开关S4的第二漏极与输入电源负极连接。 
3.根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于：所述第五双向开关S5的第一漏极与输入电源 正极连接；所述第五双向开关S5的第二漏极与所述第七双向开关S7的第一漏极连接；所述第七双向开关S7的第二漏极为输出电源正极； 
所述第六双向开关S6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关S6的第二漏极与所述第八双向开关S8的第一漏极连接；所述第八双向开关S8的第二漏极为输出电源负极； 
所述第一电容C1连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第五双向开关S5的第二漏极之间；第一电容C2连接在所述第一双向开关S1的第二漏极与第六双向开关S6的第二漏极之间；第三电容C3连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第七双向开关S7的第二漏极之间；第四电容C4连接在所述第三双向开关S3的第二漏极与第八双向开关S8的第二漏极之间。
4.根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于：所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4为无极性电容。 
5.根据权利要求1-4所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于：将所述输入电源与输出电源交换，即可实现降压的功能。 
6.根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于：所述基本开关电容模块可以串联形成基本开关电容模块拓扑，每增加一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平升高或降低4倍。 
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