CN107482903A - 一种高效开关电容电力变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S₁，功率开关S₂，二极管VD₁，电容C_r1，电感L_r1，电容C_o1；对于传统的升压式谐振开关电容变换器，该电路通过利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题；该拓扑的单个开关可以工作在PWM控制下实现零电流导通，减小变换器开关损耗；因此，该开关电容电力变换器与传统的升压式谐振开关电容变换器相比，实现了对输出电压的控制，提高了工作效率。

Description

一种高效开关电容电力变换器

技术领域

本发明属于电力变换设备领域，具体涉及一种高效开关电容电力变换器。

技术背景

如今，在功率变换器设计中，如何平衡效率与成本一直是人们的关注重点，一方面是新材料与新器件的发展，如器件新工艺的发展和新的半导体材料的发明等；另一方面是新拓扑技术与控制方法的发明。而开关电容电力变换器具有体积小，重量轻，低磁化等优点，在电力变换系统中具有较大的应用前景。那么高效的开关电容电力变换器的研究是一个重要的研究方向。

附图1是传统的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构图。附图1所示的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构是由功率开关S₁和功率开关S₂、电感L_r和n个基本升压开关电容模块级联而成，开关电容C_r1、C_r2、...、C_rn的值为C。这里忽略各个器件的内阻和损耗，把它们看成是理想器件，其工作过程可以分为四步。当功率开关S₂导通、功率开关S₁闭合时，电源V_i对电容C_r1充电、电容C_o1对电容C_r2充电，电容C_o2对电容C_r3充电，...，电容C_o(n-1)对电容C_rn充电，电容C_on两端为电源输出端。当此阶段结束时，电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势增到最大。上一步结束后，所有的开关均关断，电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势保持最大不变。当功率开关S₂闭合、功率开关S₁导通时，电源V_i和电容C_r1对电容C_o1充电、电容C_r2对电容C_o2充电、...、电容C_rn对电容C_on充电。当此阶段结束时，电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势降到最小。上一步结束后，当所有的开关均关断时，电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势保持最小不变。由能量守恒定律，可得出V_o＝nV_i(其中V_o是输出电压，V_i是输入电压)。

在该升压式谐振开关电容变换器中，功率开关S₂、功率开关S₁接通时因为电流流过负方向(流过开关元件中的二极管的电流)，因此不产生开关损失。并且，因为进行了共振动作，也不会产生断开功率开关S₂、功率开关S₁时的冲击电压。从而能够使用低耐压的开关元件，是构成高效电源所需要的极为有效的方式。

然而，在如附图1所示的升压式谐振开关电容变换器中，其输入和输出电压关系只由电路的拓扑决定(即阶数n)，这增加了输出电压的控制难度。同时因为二极管上存在一定的导通电压降，其将削弱该电路工作效率。

因此有必要提出一种高效开关电容电力变换器电路来克服上述问题。

发明内容

本发明的一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S₁，功率开关S₂，二极管VD₁，电容C_r1，电感L_r1，电容C_o1。

功率开关S₁的集电极和二极管VD₁的正极共接于电源正输入端，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂集电极共接于电容C_r1负极；功率开关S₂的发射级和电容C_o1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD₁的负极和电容C_r1的正极共接于电感L_r1的一端；电感L_r1的另一端和电容C_o1的正极共接于输出电源正极；电容C_o1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。

一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器采用以上1所述的开关电容电力变换器的级联方式进行多级级联而成；所述电感为多个电感以串并联方式构成。

一种高效开关电容电力变换器的多级结构的工作过程可以分为两个模态，模态1对应的等效电路如附图4所示，模态2对应的等效电路如附图5所示。

模态1：当功率开关S₁闭合，功率开关S₂断开时，电源V_i与电容C_r1串联，电流流经功率开关S₁，电感L_r1和电容C_o1到地，此时对电感L_r1和电容C_o1是储能。同理，电源V_i与电容C_r2串联对L_r2和电容C_o2充电，...，电源V_i与电容C_rn串联对L_rn和电容C_on充电，此阶段结束时电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势降到最小；

模态2，当功率开关S₂闭合，功率开关S₁断开，电源V_i对电容C_r1充电，电容C_o1对电容C_r2充电，电容C_o2对电容C_r3充电，...，电容C_o(n-1)对电容C_rn充电，电容C_on两端作为电源输出端，阶段结束时电容C_r1、C_r2、...、C_rn两端的电势增到最大。如附图7所示，该开关电容电力变换器的多级拓扑结构波形。

令功率开关S₁的占空比为D，功率开关S₂的占空比为(1-D)。由能量守恒定律分析得出V_o＝(1+nD)V_i，(其中V_o是输出电压，V_i是输入电压)由此可知该电路电压增益不仅由电路的拓扑所决定，还与开关管的占空比有关，从而可以实现开关电容变换器的输出电压的PWM控制方式。

一种高效开关电容电力变换器开关管及各二极管最大电压应力分别为：

V_Di＝V_i+V_ric-V_ric＝V_i(0＜i≤n)其中V_Di为各个二极管导通电压，V_ric为各个电容C_ri两端电压；可见，随着电路阶数的增加，该拓扑的所有开关管和二极管的最大电压应力保持不变，只与电源电压有关。电感量L_rx(1≤x≤n)只决定了自身电流的纹波大小，对输出也没有影响，并且由于结合了开关电容升压电路，也不用考虑电感电流断续的问题，因此该高效开关电容电力变换器的电感可以选取得更小些，减少了变换器设备的体积。

该电路通过利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题。该拓扑的单个开关可以工作在PWM控制下实现零电流导通，减小变换器开关损耗。实现了对输出电压的控制，提高了工作效率。

附图说明

图1：传统的升压式谐振开关电容变换器的多级拓扑结构图；

图2：本发明的一种高效开关电容电力变换器的拓扑结构图；

图3：本发明的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构

图4：本发明的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构工作模态一

图5：本发明的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构工作模态二

图6：本发明的一种高效开关电容电力变换器的3级电路拓扑结构图；

图7：本发明的一种高效开关电容电力变换器的多级拓扑结构波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题和实现了对输出电压的控制，提高电路的工作效率。

实施例1

由附图2可知，本发明的一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S₁，功率开关S₂，二极管VD₁，电容C_r1，电感L_r1，电容C_o1。功率开关S₁的集电极和二极管VD₁的正极共接于电源正输入端，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂集电极共接于电容C_r1负极；功率开关S₂的发射级和电容C_o1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD₁的负极和电容C_r1的正极共接于电感L_r1的一端；电感L_r1的另一端和电容C_o1的正极共接于输出电源正极；电容C_o1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。其中所述电感包括多个以串并联方式连接的电感。

通过脉冲控制功率开关S₁，功率开关S₂导通和/或关断，使输入电源V_i的能量给电感、电容等储能元件进行储能，并通过开关电路对输出电压进行释放能量，形成开关电容电力变换器。其原理为：当功率开关S₁闭合，功率开关S₂断开时，电源V_i与电容C_r1串联，电流流经当功率开关S₁，电感L_r1和电容C_o1到地，此时对电感L_r1和电容C_o1是储能。阶段结束时电容C_r1两端的电势降到最小；当功率开关S₂闭合，功率开关S₁断开，电源V_i对电容C_r1充电，电容C_o1两端作为电源输出端，此阶段结束时电容C_r1两端的电势增到最大。

令功率开关S₁的占空比为D，功率开关S₂的占空比为(1-D)。经过对电路的分析得出，V_o＝(1+nD)V_i，(其中V_o是输出电压，V_i是输入电压)。由结果可以知道可以通过改变功率开关S₁和功率开关S₂上的占空比获得预设的输出电压。

实施例2

在光伏发电系统中利用了本发明的一种高效开关电容电力变换器的3阶电路作为直流升压模块，由附图5可知，本发明的一种高效开关电容电力变换器的3阶电路，包括太阳能电池板输入电源V_i、功率开关S₁，功率开关S₂，二极管VD₁、VD₂、VD₃、电容C_r1、C_r2、C_r3、电容C_o1、C_o2、C_o3和电感L_r1、L_r2、L_r3。功率开关S₁的集电极和二极管VD₁的正极共接于电源V_i正输入端，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂集电极共接于电容C_r1负极，功率开关S₂的发射级和电容C_o1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD₁的负极和电容C_r1的正极共接于电感L_r1的一端；电感L_r1的另一端和电容C_o1的正极共接于二极管VD₂的正极，电容C_o1的负极和输入电源负极相连，二极管VD₂的负极和电容C_r2的正极共接于电感L_r2的一端，电容C_r2的负极与电容C_r1负极相连，电感L_r2的另一端和电容C_o2的正极共接于二极管VD₃的正极，电容C_o2的负极和输入电源负极相连，二极管VD₃的负极和电容C_r3的正极共接于电感L_r3的一端，电容C_r3的负极与电容C_r2负极相连，电感L_r3的另一端和电容C_o3的正极共接于输出电容正极，电容C_o3的负极和输入电源负极共接于输出电源负极。

在光付发电系统中，本发明的一种高效开关电容电力变换器的3阶电路的控制原理为：当功率开关S₁闭合，功率开关S₂断开时，电源V_i与电容C_r1串联，电流流经功率开关S₁，电感L_r1和电容C_o1到地，此时对电感L_r1和电容C_o1是储能。同理，电源V_i与电容C_r2串联对L_r2和电容C_o2充电，电源V_i与电容C_r3串联对L_r3和电容C_o3充电，阶段结束时电容C_r1、C_r2、C_r3两端的电势降到最小；当功率开关S₂闭合，功率开关S₁断开，电源V_i对电容C_r1充电，电容C_o1对电容C_r2充电，电容C_o2对电容C_r3充电，电容C_o3两端作为电源输出端，阶段结束时电容C_r1、C_r2、C_r3两端的电势增到最大。而在功率开关S₁和功率开关S₂导通之间存在预定死区时间；在死区时间内功率开关S₁和功率开关S₂都不导通，为了降低效率耗损，死区的时间尽可能设计得较小。

对本发明的一种高效开关电容电力变换器的3阶开关电容电力变换器进行了实践，在输入电压不变的情况下，通过改变功率开关S₁和功率开关S₂上的占空比来进行分析，根据得出的多组输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、占空比数据计算得出输出电压与输入电压之间的关系为V_o＝(1+3D)V_i。由最后得出的结果可知该电路的电压增益不仅与电路的拓扑结构有关，还与占空比有关，可以通过改变功率开关S₁和功率开关S₂上的占空比获得预设的输出电压。

而在传统的升压式谐振开关电容变换器中，其输入和输出电压关系由电路的拓扑决定(即级数n)，这增加了输出电压的控制难度。同时因为二极管上存在一定的导通电压降，其将削弱该电路工作效率。而本发明的一种高效开关电容电力变换器通过利用小电感替换二极管实现续流，减少开关电容变换器的导通损耗，同时通过电感与开关电容的谐振实现PWM控制方式的调压，解决了传统开关电容变换器在电压跟随方式下的滞环问题。该拓扑的单个开关可以工作在PWM控制下实现零电流导通，减小变换器开关损耗。因此，本发明的一种高效开关电容电力变换器与传统的升压式谐振开关电容变换器相比，可以对输出电压的控制，降低开关电容电路的功耗。

Claims (3)

1.一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器包括功率开关S₁，功率开关S₂，二极管VD₁，电容C_r1，电感L_r1，电容C_o1。

功率开关S₁的集电极和二极管VD₁的正极共接于电源正输入端，功率开关S₁的发射极和功率开关S₂集电极共接于电容C_r1负极；功率开关S₂的发射级和电容C_o1的负极共接于输入电源负输入端；二极管VD₁的负极和电容C_r1的正极共接于电感L_r1的一端；电感L_r1的另一端和电容C_o1的正极共接于输出电源正极；电容C_o1的负极和输入电源负极共接于输出电源的负极。

2.一种高效开关电容电力变换器，其特征在于，该开关电容电力变换器采用权利要求1所述的开关电容电力变换器的级联方式进行多级级联而成。

3.根据权利要求1、2所述的高效开关电容电力变换器，其特征在于，所述电感为多个电感以串并联方式构成。