CN106602867B - 一种高增益开关电容功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益开关电容功率变换器，包括直流电压源、公共开关管、开关电容单元和负载，其中，上述开关电容单元通过不同接口分别与上述直流电压源、上述负载和上述公共开关管连接，上述负载一端连接上述开关电容单元且另一端连接上述直流电压源，上述公共开关管一端连接上述开关电容单元且另一端同时连接上述负载和上述直流电压源。可见，本发明将公共开关管作为开关，通过增加或减少开关电容单元来调整增益，开关电容单元结构简单，比具有高匝数比的变压器的体积更小，且比耦合电感成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及直流功率变换器技术领域，特别涉及一种高增益开关电容功率变换器。
背景技术
随着电池储能和超级电容等分布式储能系统的发展和普及，高增益DC-DC功率变换器越来越受到重视。理论上，当PWM升压型变换器的占空比足够大时可以达到很高的电压增益。但实际应用中由于开关管压力和损耗的限制，PWM变换器的占空比通常不会大于0.8。此外，可以利用级联型DC-DC变换器来实现升压比，但级联型Boost或Buck-Boost高阶变换器的动态模型和控制策略尚不成熟。现有技术中，是利用具有高匝数比的变压器或耦合电感来实现，但是笨重的高匝数比变压器和耦合电感会带增大变换器的体积和增加成本。
综上所述，如何减少高增益升压变换器的体积和成本是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高增益开关电容功率变换器，可以减少高增益升压变换器的体积和成本。其具体方案如下：
一种高增益开关电容功率变换器，包括直流电压源、公共开关管、开关电容单元和负载，其中，所述开关电容单元通过不同接口分别与所述直流电压源、所述负载和所述公共开关管连接，所述负载一端连接所述开关电容单元且另一端连接所述直流电压源，所述公共开关管一端连接所述开关电容单元且另一端同时连接所述负载和所述直流电压源。
优选的，所述开关电容单元包括一个开关管，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管，其中，所述第一电容器和所述第二电容器均包括正极和负极，所述第一二极管的阳极同时与所述第一电容器的负极和所述开关管的漏极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接，所述第二电容器的正极同时与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第二电容器的负极同时与所述开关管的源极和所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述公共开关管的漏极连接；
所述负载的一端同时与所述直流电压源的负极和所述公共开关管的源极连接，另一端与所述第一电容器的正极连接。
优选的，所述开关电容单元数量为n，其中，n为正整数。
优选的，所述开关电容单元的连接方式包括：
第k个开关电容单元中的第一电容器的正极与第k+1个开关电容单元的第一电容器的负极连接，其中，k为小于或等于n-1的正整数，第一个开关电容单元中的第一电容器的负极与所述直流电压源的正极连接。
优选的，n个所述开关电容单元中的所有开关管同时开通或关断，并与所述公共开关管互补导通。
优选的，所述高增益开关电容功率变换器还包括谐振电感器，其中，所述谐振电感器中电感器的一端与所述开关电容单元中的第二电容器的正极连接，另一端同时与所述开关电容单元中的第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接。
本发明公开了一种高增益开关电容功率变换器，包括直流电压源、公共开关管、开关电容单元和负载，其中，上述开关电容单元通过不同接口分别与上述直流电压源、上述负载和上述公共开关管连接，上述负载一端连接上述开关电容单元且另一端连接上述直流电压源，上述公共开关管一端连接上述开关电容单元且另一端同时连接上述负载和上述直流电压源。可见，本发明将公共开关管作为开关，通过增加或减少开关电容单元来调整增益，开关电容单元结构简单，比具有高匝数比的变压器的体积更小，且比耦合电感成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种高增益开关电容功率变换器的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种具有多个开关电容单元的高增益开关电容功率变换器的结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种具有多个开关电容单元的高增益开关电容功率变换器的开关控制信号示意图；
图4a和图4b为本发明实施例公开的一种具有多个开关电容单元的高增益开关电容功率变换器工作模态的等效电路图；
图5为本发明实施例公开的一种具有多个开关电容单元和谐振电感器的高增益开关电容功率变换器的结构示意图；
图6为本发明实施例公开的一种具有多个开关电容单元和多个负载的高增益开关电容功率变换器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种高增益开关电容功率变换器，参见图1所示，包括直流电压源11、公共开关管12、开关电容单元13和负载14，其中，上述开关电容单元13通过不同接口分别与上述直流电压源11、上述负载14和上述公共开关管12连接，上述负载14一端连接上述开关电容单元13且另一端连接上述直流电压源11，上述公共开关管12一端连接上述开关电容单元13且另一端同时连接上述负载14和上述直流电压源11。
开关电容单元包括一个开关管，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管，其中，上述第一电容器和上述第二电容器均包括正极和负极，上述第一二极管的阳极同时与上述第一电容器的负极和上述开关管的漏极连接，上述第二二极管的阴极与上述第一电容器的正极连接，上述第二电容器的正极同时与上述第一二极管的阴极和上述第二二极管的阳极连接，上述第二电容器的负极同时与上述开关管的源极和上述第三二极管的阳极连接，上述第三二极管的阴极与上述公共开关管的漏极连接；上述负载的一端同时与上述直流电压源的负极和上述公共开关管的源极连接，另一端与上述第一电容器的正极连接。
需要说明的是，上述开关电容单元数量可以不唯一，即开关电容单元数量可以包括大于或等于1的正整数。不同数量的开关电容单元为本发明带来不同的增益。
需要进一步说明的是，当上述开关电容单元的数量不唯一时，具体连接方式包括：第k个开关电容单元中的第一电容器的正极与第k+1个开关电容单元的第一电容器的负极连接，其中，k为小于或等于n-1的正整数，第一个开关电容单元中的第一电容器的负极与上述直流电压源的正极连接。
n个上述开关电容单元中的所有开关管同时开通或关断，并与上述公共开关管互补导通，即所有开关管的状态相同。
可以理解的是，本发明公开的变换器的输出电压为直流电压源和所述n个开关电容单元中所有开关电容单元的第一电容器的电压之和，理想电压增益为2n。
当然，为了提高电路的稳定性，上述高增益开关电容功率变换器还包括谐振电感器，其中，上述谐振电感器中电感器的一端与上述开关电容单元中的第二电容器的正极连接，另一端同时与上述开关电容单元中的第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接。
此外，当开关电容单元的数量固定时，可以将负载连接至不同的开关电容单元上，以获取相应的增益。但需要特别注意的是，上文汇总所述的开关电容单元中的所有开关管同时开通或关断，指所属于同一个负载的开关电容单元中的所有开关管的状态。
为了进一步对本发明的方案进行说明，故提供下述具体的实施例以供本领域技术人员进行参考：
实施例一：参考图2，本发明的一种高增益开关电容功率变换器包括一个直流电压源Vin、一个公共开关管S0、n个开关电容单元和一个负载R，其中，n个开关电容单元中第i个开关电容单元包括：一个开关管Si，第一电容器Ci1、第二电容器Ci2、第一二极管Di1、第二二极管Di2和第三二极管Di3；第一电容器Ci1和第二电容器Ci2均包括正极和负极；第一二极管Di1的阳极同时与第一电容器Ci1的负极和开关管Si的漏极连接；第二二极管Di2的阴极与第一电容器Ci1的正极连接；第二电容器Ci2的正极同时与第一二极管Di1的阴极和第二二极管Di2的阳极连接，负极同时与开关管Si的源极和第三二极管Di3的阳极连接；第三二极管Di3的阴极与所述公共开关管S0的漏极连接；所述n个开关电容单元中第1个开关电容单元中的第一电容器C11的负极与所述直流电压源Vin的正极连接；所述n个开关电容单元中第k个开关电容单元中的第一电容器Ck1的正极与第k+1个开关电容单元的第一电容器C(k+1)1的负极连接；其中，n为大于等于1的整数，i为大于等于1小于等于n的整数，k为大于等于1小于n的整数；其中，负载R的一端同时与所述直流电压源Vin的负极和所述公共开关管S0的源极连接，另一端与所述n个开关电容单元中第n个开关电容单元的第一电容器Cn1的正极连接。
在该实施例中，参考图3，所述n个开关电容单元的所有开关电容单元中的开关管S1～Sn同时开通或关断，并与所述公共开关管S0互补导通。
图3中t0～t1阶段，公共开关管S0开通而其它开关管S1～Sn关断时，所述n个开关电容单元的第i个开关电容单元中第一二极管Di1和第三二极管Di3导通，第二二极管Di2截止；所述直流电压源和所述n个开关电容单元的第1个至第i-1个开关电容单元中的所有第一电容器C11～C(i-1)1一起给所述n个开关电容单元的第i个开关电容单元中的第二电容器Ci2充电，于是第二电容器Ci2的电压VCi2＝Vin+VC11+…+VC(i-1)1；工作模态如图4a所示。
图3中t1～t2阶段，公共开关管S0关断而其它开关管S1～Sn开通时，所述n个开关电容单元的第i个开关电容单元中第一二极管Di1和第三二极管Di3截止，第二二极管Di2导通；所述n个开关电容单元的第i个开关电容单元中的第二电容器Ci2向第一电容器Ci1放电，于是第一电容器Ci1的电压VCi1＝VCi2＝Vin+VC11+…+VC(i-1)1；工作模态如图4b所示。
随着如图4a和图4b所示的两种工作状态的高频交替操作，能量从直流电压源Vin经过所有开关电容单体传输给负载R；所述n个开关电容单元的第i个开关电容单元中的第一电容器Ci1两端电压为所述直流电压源Vin与所述n个开关电容单元的第一个至第i-1个开关电容单元中的所有第一电容器电压之和；变换器的输出电压为直流电压源Vin和所述n个开关电容单元中所有开关电容单元的第一电容器的电压之和，理想电压增益为2n。
实施例二：参见图5所示，在开关电容单元中增加了谐振电感器；其中，所述n个谐振电感器中第i个电感器(Li)的一端与所述n个开关电容单元中第i个开关电容单元的第二电容器(Ci2)的正极连接，另一端同时与所述n个开关电容单元中第i个开关电容单元的第一二极管(Di1)的阴极和第二二极管(Di2)的阳极连接。
实施例三：参见图6所示，本发明在开关电容单元数量固定的情况下，可以接入多个负载，其中，所述n个负载中第i个负载(Ri)的一端与所述直流电压源(Vin)的负极连接，另一端与所述n个开关电容单元中第i个开关电容单元的第一电容器(Ci1)的正极连接。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种高增益开关电容功率变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种高增益开关电容功率变换器，其特征在于，包括直流电压源、公共开关管、开关电容单元和负载，其中，所述开关电容单元通过不同接口分别与所述直流电压源、所述负载和所述公共开关管连接，所述负载一端连接所述开关电容单元且另一端连接所述直流电压源，所述公共开关管一端连接所述开关电容单元且另一端同时连接所述负载和所述直流电压源；
所述开关电容单元包括一个开关管，第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管和第三二极管，其中，所述第一电容器和所述第二电容器均包括正极和负极，所述第一二极管的阳极同时与所述第一电容器的负极和所述开关管的漏极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接，所述第二电容器的正极同时与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述第二电容器的负极同时与所述开关管的源极和所述第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述公共开关管的漏极连接；
所述负载的一端同时与所述直流电压源的负极和所述公共开关管的源极连接，另一端与所述第一电容器的正极连接。
2.根据权利要求1所述的高增益开关电容功率变换器，其特征在于，所述开关电容单元数量为n，其中，n为正整数。
3.根据权利要求2所述的高增益开关电容功率变换器，其特征在于，所述开关电容单元的连接方式包括：
第k个开关电容单元中的第一电容器的正极与第k+1个开关电容单元的第一电容器的负极连接，其中，k为小于或等于n-1的正整数，第一个开关电容单元中的第一电容器的负极与所述直流电压源的正极连接。
4.根据权利要求3所述的高增益开关电容功率变换器，其特征在于，n个所述开关电容单元中的所有开关管同时开通或关断，并与所述公共开关管互补导通。
5.根据权利要求4所述的高增益开关电容功率变换器，其特征在于，还包括谐振电感器，其中，所述谐振电感器中电感器的一端与所述开关电容单元中的第二电容器的正极连接，另一端同时与所述开关电容单元中的第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接。
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