CN109274264A - 一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器 - Google Patents

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王向周
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Abstract

本发明公开一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，包括依次串联于输入电压端和输出电压端之间的第一储能单元、谐振控制单元和滤波单元，谐振控制单元第一谐振串联电路和第二谐振串联电路，构成了具有斩波双谐振的直流变换器，实现了开关电容变换器输出增益的宽范围线性调节，具有充放电电流无尖峰的有益效果。

Description

一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器
技术领域
本发明涉及开关电容变换器技术领域，特别是涉及一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器。
背景技术
升压式开关电容直流变换器有五种最基本的拓扑结构，分别为Ladder、Dickson、串并联、斐波那契和倍压器。这之后衍生出的多种新型拓扑均来源于以上最基本的拓扑结构。五种开关电容变换器根据电路级数的不同，其输出增益也会发生相应的变化，但是其理想增益均为整数倍。比如Ladder、Dickson和串并联三种开关电容的增益为2、3、4、5......n(n为整数)；斐波那契开关电容的理想增益呈斐波那契数列的形式，即2、3、5、8......n(n为其前两位数字之和)；倍压器的理想增益为2、4、8、16......n(n为2的整数次幂)。由此可见，传统开关电容变换器的输出增益并不能大范围的线性调节，限制了其应用的范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，用来解决现有传统开关电容变换器不能大范围线性调节输出增益的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，包括：正输入电压节点、负输入电压节点、正输出电压节点和负输出电压节点，所述正输入电压节点和所述负输入电压节点之间为输入电压端，所述正输出电压节点和所述负输出电压节点之间为输出电压端，所述升压式谐振开关电容变换器还包括依次串联于所述输入电压端和所述输出电压端之间的第一储能单元、谐振控制单元和滤波单元；
所述第一储能单元包括：第一开关管、第二开关管、第一二极管和第一储能电容；所述第一开关管的漏极与所述正输入电压节点连接，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接，所述第二开关管的源极与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第一同压点，所述第一二极管的正极与所述正输入电压节点连接，所述第一二极管的负极与所述第一储能电容的一端连接，所述第一储能电容的另一端与所述第二开关管的漏极连接，所述第一储能电容的另一端、所述第二开关管的漏极和所述第一开关管的源极三者相交于第一节点；
所述谐振控制单元包括：第一谐振串联电路、第二谐振串联电路、谐振电容和第四开关管；所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一谐振串联电路的另一端与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的源极与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第二同压点，所述第二谐振串联电路的另一端与所述谐振电容一端连接，所述谐振电容的另一端与所述第四开关管的漏极连接；所述第一谐振串联电路的另一端、所述第四开关管的漏极和所述谐振电容的另一端三者相交于第三节点；所述第二谐振串联电路的另一端与所述谐振电容一端的交点为第四节点；所述第一谐振串联电路包括第三开关管、以及与所述第三开关管串联连接的第一谐振电感；所述第二谐振串联电路包括第二二极管、以及与所述第二二极管串联连接的第二谐振电感；
所述滤波单元包括：第三二极管和滤波电容，所述第三二极管的正极与所述谐振控制单元连接，所述第三二极管的负极与所述滤波电容的一端连接，所述滤波电容的另一端与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第三同压点，所述第三二极管的负极、所述滤波电容的一端和所述正输出电压节点三者相交于一点。
可选的，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的斐波那契开关电容变换器；
所述第一谐振串联电路的一端与所述储能单元中的所述第二节点连接，所述第二谐振串联电路的一端与所述第一储能单元中第一二极管的正极连接。
可选的，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的串并联开关电容变换器；
所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均与所述第一储能单元中所述第二节点连接。
可选的，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的倍压器开关电容变换器；所述宽调压的倍压器开关电容变换器还包括串联在所述第一储能单元和所述谐振控制单元之间的第二储能单元，所述第二储能单元包括第四二极管和第二储能电容，所述第四二极管的正极与所述第一储能单元连接，所述第四二极管负极与所述谐振控制单元连接，所述第二储能电容的一端与所述第四二极管负极连接，所述第二储能电容的另一端与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第四同压点，所述第二储能电容的一端与所述第四二极管的负极之间设置第五节点；
所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均连接在与所述第一储能单元串联的所述第二储能单元中的所述第四二极管的负极。
可选的，所述第四二极管的正极与所述第一储能单元中所述第二节点连接。
可选的，所述第三开关管的漏极与所述第一储能单元连接，所述第三开关管的源极与所述第一谐振电感的一端连接，所述第一谐振电感的另一端与所述第四开关管的漏极连接；或所述第一谐振电感的一端与所述第一储能单元连接，所述第一谐振电感的另一端与所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极连接。
可选的，所述第二二极管的正极与所述第一储能单元连接，所述第二二极管的负极与所述第二谐振电感的一端连接，所述第二谐振电感的另一端与所述谐振电容一端连接；或所述第二谐振电感的一端与所述第一储能单元连接，第二谐振电感的另一端与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述谐振电容一端连接。
可选的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管或所述第四开关管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
可选的，所述第一二极管、所述第二二极管或所述第三二极管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
可选的，所述第四二极管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
根据本发明提供的内容，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器中构成了具有斩波双谐振的直流变换器，实现了开关电容变换器输出增益的宽范围线性调节，具有充放电电流无尖峰的有益效果。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器的电路示意图；
图2为传统的3X串并联谐振开关电容变换器的电路示意图；
图3为传统的4X倍压器谐振开关电容变换器的电路示意图；
图4为本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的电路示意图；
图5为图4所示电路的工作波形图；
图6为图4所示电路的理想增益曲线图；
图7为图4所示电路的仿真增益曲线图；
图8为本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容的电路图；
图9为本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容的电路图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器的电路示意图，包括：正输入电压节点1、负输入电压节点2、正输出电压节点3和负输出电压节点4，正输入电压节点1和负输入电压节点2之间为输入电压端Vin，正输出电压节点3和负输出电压节点4之间为输出电压端Vout，传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器还包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、控制单元和滤波单元。
第一储能单元包括第一开关管5、第二开关管6、第一二极管7和第一储能电容9，第一开关管5的漏极与正输入电压节点1连接，第一开关管5的源极与第二开关管6的漏极连接，第二开关管6的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点3的连接线相交于第一同压点11，第一二极管7的正极与正输入电压节点1连接，第一二极管7的负极与第一储能电容9的一端连接，第一储能电容9的另一端与第二开关管6的漏极连接，第一储能电容9的另一端、第二开关管6的漏极和第一开关管5的源极三者相交于第一节点10。
控制单元包括：第一电路、第二电路、传统谐振电容C1和第四开关管16；所述第一电路一端和所述第二电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端连接，传统谐振电容C1的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一电路的另一端、第四开关管16的漏极和传统谐振电容C1的另一端三者相交于第三节点15；所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端的交点为第四节点14；所述第一电路包括第三开关管12；所述第二电路包括第二二极管13。
滤波单元包括：第三二极管18和滤波电容19，第三二极管18的正极与所述控制单元连接，第三二极管18的负极与滤波电容19的一端连接，滤波电容19的另一端与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第三同压点20，第三二极管18的负极、滤波电容19的一端和正输出电压节点3三者相交于一点。
在图1所示的传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器的控制单元中添加第一谐振电感21和第二谐振电感22，并将传统谐振电容C1替换为谐振电容23，构成如图4所示的本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的谐振控制单元。
本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的电路示意图，其中谐振电容23连接于第四节点14与第三节点15之间，其电容值比同等级的传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器中的传统谐振电容C1小至少一个数量级。本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器采用电容值小的谐振电容，减小了谐振电容的体积，进而减小了开关电容变换器的体积，且降低了成本。
如图4所示，本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器，包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、谐振控制单元和滤波单元，其中第一储能单元和滤波单元与图1中传统的3X斐波那契谐振开关电容变换器中的第一储能单元和滤波单元相同，这里不再赘述。
本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的谐振控制单元包括：第一谐振串联电路、第二谐振串联电路、谐振电容23和第四开关管16；所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一谐振串联电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端连接，谐振电容23的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一谐振串联电路的另一端、第四开关管16的漏极和谐振电容23的另一端三者相交于第三节点15；所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端的交点为第四节点14；所述第一谐振串联电路包括第三开关管12、以及与第三开关管12串联连接的第一谐振电感21；所述第二谐振串联电路包括第二二极管13、以及与第二二极管13串联连接的第二谐振电感22。
其中所述第一谐振串联电路的一端与所述储能单元中的第二节点8连接，所述第二谐振串联电路的一端与所述第一储能单元中第一二极管7的正极连接。
其中，第三开关管12的漏极与所述第一储能单元连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接；或第一谐振电感21的一端与所述第一储能单元连接，第一谐振电感21的另一端与第三开关管12的漏极连接，第三开关管12的源极与第四开关管16的漏极连接。如图4所示的本发明实施例1的宽调压3X斐波那契谐振开关电容变换器中第三开关管12的漏极与所述第一储能单元的第二节点8连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接。
其中，第二二极管13的正极与所述第一储能单元连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接；或第二谐振电感22的一端与所述第一储能单元连接，第二谐振电感23的另一端与第二二极管13的正极连接，第二二极管13的负极与谐振电容23一端连接。如图4所示的本发明实施例1的宽调压3X斐波那契谐振开关电容变换器中第二二极管13的正极与所述第一储能单元中第一二极管7的正极连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接。
其中，第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12或第四开关管16为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图4所示的本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器中第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12和第四开关管16均采用金属氧化物半导体场效应管。
其中，第一二极管7、第二二极管13或第三二极管18为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图4所示的本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器中第一二极管7、第二二极管13或第三二极管18均采用绝缘栅双极晶体管。
本发明中实施例1中在进行电路布置时，还需要根据金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管的工作特性选择能够保证电流单向流动的布置方式。
本发明实施例1中宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的具体工作原理如下：
如图5所示，S1，S2，S3，S4分别表示第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12和第四开关管16的控制信号，F表示第三开关管12的开关频率；VCr表示谐振电容23的电压值；i_Lr1和i_Lr2分别表示第一谐振电感21和第二谐振电感22的电流值；i_S3和i_S4分别表示流过第三开关管12和第四开关管16的电流值；i_D2和i_D3分别表示流过第二二极管13和第三二极管18的电流值。第一储能单元中第一开关管5和第二开关管6采用占空比固定在0.5的变频调制，t1’为第一开关管5和第二开关管6的控制信号切换点，当第二开关管6开通、第一开关管5关断，输入电压Vin给第一储能电容9充电，由于该充电时间常数很小，所以在数微秒时间内第一储能电容9上的电压值即达到Vin；当第一开关管5开通、第二开关管6关断，输入电压Vin和第一储能电容9串联给谐振控制单元充电。所以，第一储能单元可以等效为一个输出值为2Vin的电压源。
谐振控制单元中包含两个谐振通路，第一谐振通路包括第一谐振电感21和谐振电容23，其谐振频率为第二谐振通路包括第二谐振电感22和谐振电容23，其谐振频率为其中Lr1为第一谐振电感21的电感值，Cr为谐振电容23的电容值，Lr2为第二谐振电感22的电感值。
采用开通时间固定的变频控制方法，控制谐振单元中第三开关管12和第四开关管16的开通时间。第三开关管12的开通时间固定为通过改变第三开关管12的开关频率fs的大小，实现输出电压的调节。
在t0时刻，当第四开关管16开通、第三开关管12关断，第四开关管16和第二二极管13以零电流(ZCS)方式开通并导通谐振电流。
在t1时刻，第四开关管16关断，第三开关管12以ZCS方式开通。由于第二谐振电感22的电流iLr2(t)仍未谐振到零，所以该电流将通过第二二极管13续流。与此同时，第一谐振通路通过第三开关管12开始导通谐振电流iLr1(t)。在该时间区间内，两个谐振电感电流同时存在。
在t2时刻，谐振电流iLr2(t)线性下降到零，第二二极管13以ZCS方式关断。谐振电流iLr1(t)继续通过第三开关管12和第三二极管18续流。
在t3时刻，谐振电流iLr1(t)谐振到零，第三开关管12和第三二极管18以ZCS的方式关断。
图4所示电路的增益曲线如图6所示，其中谐振频率系数频率比例系数F＝ton/Ts＝fs/2fr1，品质因数式中fr1为第一谐振通路的谐振频率，fr2为第二谐振通路的谐振频率，Lr1为第一谐振电感21的电感值，Lr2为第二谐振电感22的电感值，ton为第三开关管12的开通时间，Ts为第一谐振通路的谐振周期，fs为第三开关管12的开关频率，Cr为谐振电容23的电容值，RL为负载阻抗。
当时，本发明实施例1的宽调压3X斐波那契谐振开关电容变换器处于可调压工作模态，无论在轻载(Q值较小)还是重载情况下(Q值较大)，均能够实现高效、全范围线性调压。
图7为本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的电路仿真增益曲线，其中实线为理想曲线，点为本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的仿真值，可见，仿真值与理论推导的增益曲线非常吻合，证明了图4所示本发明实施例1的宽调压的3X斐波那契谐振开关电容变换器的调压能力。
实施例2
图2为传统的3X串并联谐振开关电容变换器的电路示意图，包括：正输入电压节点1、负输入电压节点2、正输出电压节点3和负输出电压节点4，正输入电压节点1和负输入电压节点2之间为输入电压端Vin，正输出电压节点3和负输出电压节点4之间为输出电压端Vout，传统的3X串并联谐振开关电容变换器还包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、控制单元和滤波单元。
第一储能单元包括第一开关管5、第二开关管6、第一二极管7和第一储能电容9，第一开关管5的漏极与正输入电压节点1连接，第一开关管5的源极与第二开关管6的漏极连接，第二开关管6的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点3的连接线相交于第一同压点11，第一二极管7的正极与正输入电压节点1连接，第一二极管7的负极与第一储能电容9的一端连接，第一储能电容9的另一端与第二开关管6的漏极连接，第一储能电容9的另一端、第二开关管6的漏极和第一开关管5的源极三者相交于第一节点10。
控制单元包括：第一电路、第二电路、传统谐振电容C1和第四开关管16；所述第一电路一端和所述第二电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端连接，传统谐振电容C1的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一电路的另一端、第四开关管16的漏极和传统谐振电容C1的另一端三者相交于第三节点15；所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端的交点为第四节点14；所述第一电路包括第三开关管12；所述第二电路包括第二二极管13。
滤波单元包括：第三二极管18和滤波电容19，第三二极管18的正极与所述控制单元连接，第三二极管18的负极与滤波电容19的一端连接，滤波电容19的另一端与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第三同压点20，第三二极管18的负极、滤波电容19的一端和正输出电压节点3三者相交于一点。
在图2所示的传统的3X串并联谐振开关电容变换器的控制单元中添加第一谐振电感21和第二谐振电感22，并将传统谐振电容C1替换为谐振电容23，构成如图8所示的本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器的谐振控制单元。
本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器的电路示意图，其中谐振电容23连接于第四节点14与第三节点15之间，其电容值比同等级的传统的3X串并联谐振开关电容变换器中的传统谐振电容C1小至少一个数量级。本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器采用电容值小的谐振电容，减小了谐振电容的体积，进而减小了开关电容变换器的体积，且降低了成本。
如图8所示，本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器，包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、谐振控制单元和滤波单元，其中第一储能单元和滤波单元与图2中传统的3X串并联谐振开关电容变换器中的第一储能单元和滤波单元相同，这里不再赘述。
本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器的谐振控制单元包括：第一谐振串联电路、第二谐振串联电路、谐振电容23和第四开关管16；所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一谐振串联电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端连接，谐振电容23的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一谐振串联电路的另一端、第四开关管16的漏极和谐振电容23的另一端三者相交于第三节点15；所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端的交点为第四节点14；所述第一谐振串联电路包括第三开关管12、以及与第三开关管12串联连接的第一谐振电感21；所述第二谐振串联电路包括第二二极管13、以及与第二二极管13串联连接的第二谐振电感22。
其中，所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均与所述第一储能单元中第二节点8连接。
其中，第三开关管12的漏极与所述第一储能单元连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接；或第一谐振电感21的一端与所述第一储能单元连接，第一谐振电感21的另一端与第三开关管12的漏极连接，第三开关管12的源极与第四开关管16的漏极连接。如图8所示的本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器中第三开关管12的漏极与所述第一储能单元的第二节点8连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接。
其中，第二二极管13的正极与所述第一储能单元连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接；或第二谐振电感22的一端与所述第一储能单元连接，第二谐振电感23的另一端与第二二极管13的正极连接，第二二极管13的负极与谐振电容23一端连接。如图8所示的本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器中第二二极管13的正极与所述第一储能单元中第一二极管7的负极连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接，第二谐振电感22的另一端、谐振电容23一端和第三二极管的正极三者相交于第四节点14。
其中，第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12或第四开关管16为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图8所示的本发明实施例2的宽调压3X串并联谐振开关电容变换器中第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12和第四开关管16均采用金属氧化物半导体场效应管。
其中，第一二极管7、第二二极管13或第三二极管18为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图8所示的本发明实施例2的宽调压的3X串并联谐振开关电容变换器中第一二极管7、第二二极管13或第三二极管18均采用绝缘栅双极晶体管。
本发明中实施例2中在进行电路布置时，还需要根据金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管的工作特性选择能够保证电流单向流动的布置方式。
实施例3
图3为传统的4X倍压器谐振开关电容变换器的电路示意图，包括：正输入电压节点1、负输入电压节点2、正输出电压节点3和负输出电压节点4，正输入电压节点1和负输入电压节点2之间为输入电压端Vin，正输出电压节点3和负输出电压节点4之间为输出电压端Vout，传统的4X倍压器谐振开关电容变换器包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、第二储能单元、控制单元和滤波单元。
第一储能单元包括第一开关管5、第二开关管6、第一二极管7和第一储能电容9，第一开关管5的漏极与正输入电压节点1连接，第一开关管5的源极与第二开关管6的漏极连接，第二开关管6的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点3的连接线相交于第一同压点11，第一二极管7的正极与正输入电压节点1连接，第一二极管7的负极与第一储能电容9的一端连接，第一储能电容9的另一端与第二开关管6的漏极连接，第一储能电容9的另一端、第二开关管6的漏极和第一开关管5的源极三者相交于第一节点10。
第二储能单元包括第四二极管301和第二储能电容302，第四二极管301的正极与所述第一储能单元连接，第四二极管301负极与所述控制单元连接，第二储能电容302的一端与第四二极管301负极连接，第二储能电容302的另一端与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第四同压点304，第二储能电容302的一端与第四二极管301负极之间设置第五节点303。
控制单元包括：第一电路、第二电路、传统谐振电容C1和第四开关管16；所述第一电路一端和所述第二电路的一端分别与所述第二储能单元连接，所述第一电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端连接，传统谐振电容C1的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一电路的另一端、第四开关管16的漏极和传统谐振电容C1的另一端三者相交于第三节点15；所述第二电路的另一端与传统谐振电容C1一端的交点为第四节点14；第四二极管301负极与第二储能单元之间设置第五节点303，所述第一电路包括第三开关管12；所述第二电路包括第二二极管13。
滤波单元包括：第三二极管18和滤波电容19，第三二极管18的正极与所述控制单元连接，第三二极管18的负极与滤波电容19的一端连接，滤波电容19的另一端与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第三同压点20，第三二极管18的负极、滤波电容19的一端和正输出电压节点3三者相交于一点。
在图3所示的传统的4X倍压器谐振开关电容变换器的控制单元中添加第一谐振电感21和第二谐振电感22，并将传统谐振电容C1替换为谐振电容23，构成如图9所示的本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器的谐振控制单元。
本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器的电路示意图，其中谐振电容23连接于第四节点14与第三节点15之间，其电容值比同等级的传统的4X倍压器谐振开关电容变换器中的传统谐振电容C1小至少一个数量级。本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器采用电容值小的谐振电容，减小了谐振电容的体积，进而减小了开关电容变换器的体积，且降低了成本。
如图9所示，本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器，包括依次串联于输入电压端Vin和输出电压端Vout之间的第一储能单元、第二储能单元、谐振控制单元和滤波单元，其中第一储能单元、第二储能单元和滤波单元与图3中传统的4X倍压器谐振开关电容变换器中的第一储能单元、第二储能单元和滤波单元相同，这里不再赘述。
本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器的谐振控制单元包括：第一谐振串联电路、第二谐振串联电路、谐振电容23和第四开关管16；所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端分别与所述第二储能单元连接，所述第一谐振串联电路的另一端与第四开关管16的漏极连接，第四开关管16的源极与负输入电压节点2和负输出电压节点4的连接线相交于第二同压点17，所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端连接，谐振电容23的另一端与第四开关管16的漏极连接；所述第一谐振串联电路的另一端、第四开关管16的漏极和谐振电容23的另一端三者相交于第三节点15；所述第二谐振串联电路的另一端与谐振电容23一端的交点为第四节点14；所述第一谐振串联电路包括第三开关管12、以及与第三开关管12串联连接的第一谐振电感21；所述第二谐振串联电路包括第二二极管13、以及与第二二极管13串联连接的第二谐振电感22。
其中，所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均与所述第二储能单元中第五节点303连接。
其中，第三开关管12的漏极与所述第二储能单元连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接；或第一谐振电感21的一端与所述第二储能单元连接，第一谐振电感21的另一端与第三开关管12的漏极连接，第三开关管12的源极与第四开关管16的漏极连接。如图9所示的本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器中第三开关管12的漏极与所述第二储能单元的第五节点303连接，第三开关管12的源极与第一谐振电感21的一端连接，第一谐振电感21的另一端与第四开关管16的漏极连接。
其中，第二二极管13的正极与所述第二储能单元连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接；或第二谐振电感22的一端与所述第二储能单元连接，第二谐振电感23的另一端与第二二极管13的正极连接，第二二极管13的负极与谐振电容23一端连接。如图9所示的本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器中第二二极管13的正极与所述第二储能单元中第四二极管301的负极连接，第二二极管13的负极与第二谐振电感22的一端连接，第二谐振电感22的另一端与谐振电容23一端连接，第二谐振电感22的另一端、谐振电容23一端和第三二极管的正极三者相交于第四节点14，第四二极管301负极、第二储能电容302的一端和第二储能单元中第二二极管的正极三者相交于第五节点303。
其中，第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12或第四开关管16为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图9所示的本发明实施例3的宽调压的4X倍压器谐振开关电容变换器中第一开关管5、第二开关管6、第三开关管12和第四开关管16均采用金属氧化物半导体场效应管。
其中，第一二极管7、第二二极管13、第三二极管18或第四二极管301为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。如图9所示的本发明实施例3的4X倍压器谐振开关电容变换器中第一二极管7、第二二极管13、第三二极管18和第四二极管301均采用绝缘栅双极晶体管。
本发明中实施例3中在进行电路布置时，还需要根据金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管的工作特性选择能够保证电流单向流动的布置方式。
本发明实施例中均可采用如下的控制方式：
第一开关管5和第二开关管6采用占空比为0.5的控制方法，第三开关管12和第四开关管16采用开通或者关断时间固定的变频控制方法。
其中，在一个时间周期内第三开关管12的开通时间和第四开关管16的开通时间互补，固定第三开关管12的开通时间，调节第三开关管12的开关频率，具体过程可参见实施例1中的内容。
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 (10)

1.一种宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器包括：正输入电压节点、负输入电压节点、正输出电压节点和负输出电压节点，所述正输入电压节点和所述负输入电压节点之间为输入电压端，所述正输出电压节点和所述负输出电压节点之间为输出电压端，所述升压式谐振开关电容变换器还包括依次串联于所述输入电压端和所述输出电压端之间的第一储能单元、谐振控制单元和滤波单元；
所述第一储能单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第一储能电容：所述第一开关管的漏极与所述正输入电压节点连接，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接，所述第二开关管的源极与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第一同压点，所述第一二极管的正极与所述正输入电压节点连接，所述第一二极管的负极与所述第一储能电容的一端连接，所述第一储能电容的另一端与所述第二开关管的漏极连接，所述第一储能电容的另一端、所述第二开关管的漏极和所述第一开关管的源极三者相交于第一节点；
所述谐振控制单元包括：第一谐振串联电路、第二谐振串联电路、谐振电容和第四开关管；所述第一谐振串联电路的一端和所述第二谐振串联电路的一端分别与所述第一储能单元连接，所述第一谐振串联电路的另一端与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的源极与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第二同压点，所述第二谐振串联电路的另一端与所述谐振电容一端连接，所述谐振电容的另一端与所述第四开关管的漏极连接；所述第一谐振串联电路的另一端、所述第四开关管的漏极和所述谐振电容的另一端三者相交于第三节点；所述第二谐振串联电路的另一端与所述谐振电容一端的交点为第四节点；所述第一谐振串联电路包括第三开关管、以及与所述第三开关管串联连接的第一谐振电感；所述第二谐振串联电路包括第二二极管、以及与所述第二二极管串联连接的第二谐振电感；
所述滤波单元包括：第三二极管和滤波电容，所述第三二极管的正极与所述谐振控制单元连接，所述第三二极管的负极与所述滤波电容的一端连接，所述滤波电容的另一端与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第三同压点，所述第三二极管的负极、所述滤波电容的一端和所述正输出电压节点三者相交于一点。
2.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的斐波那契开关电容变换器；
所述第一谐振串联电路的一端与所述储能单元中的所述第二节点连接，所述第二谐振串联电路的一端与所述第一储能单元中第一二极管的正极连接。
3.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的串并联开关电容变换器；
所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均与所述第一储能单元中所述第二节点连接。
4.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器为宽调压的倍压器开关电容变换器；所述宽调压的倍压器开关电容变换器还包括串联在所述第一储能单元和所述谐振控制单元之间的第二储能单元，所述第二储能单元包括第四二极管和第二储能电容，所述第四二极管的正极与所述第一储能单元连接，所述第四二极管负极与所述谐振控制单元连接，所述第二储能电容的一端与所述第四二极管负极连接，所述第二储能电容的另一端与所述负输入电压节点和所述负输出电压节点的连接线相交于第四同压点，所述第二储能电容的一端与所述第四二极管的负极之间设置第五节点；
所述第一谐振串联电路一端和所述第二谐振串联电路的一端均连接在与所述第一储能单元串联的所述第二储能单元中的所述第四二极管的负极。
5.根据权利要求4所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述第四二极管的正极与所述第一储能单元中所述第二节点连接。
6.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，
所述第三开关管的漏极与所述第一储能单元连接，所述第三开关管的源极与所述第一谐振电感的一端连接，所述第一谐振电感的另一端与所述第四开关管的漏极连接；
或所述第一谐振电感的一端与所述第一储能单元连接，所述第一谐振电感的另一端与所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极连接。
7.根据权利要求6所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，
所述第二二极管的正极与所述第一储能单元连接，所述第二二极管的负极与所述第二谐振电感的一端连接，所述第二谐振电感的另一端与所述谐振电容一端连接；
或所述第二谐振电感的一端与所述第一储能单元连接，第二谐振电感的另一端与所述第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极与所述谐振电容一端连接。
8.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管或所述第四开关管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
9.根据权利要求1所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述第一二极管、所述第二二极管或所述第三二极管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
10.根据权利要求4所述的宽调压范围的升压式谐振开关电容变换器，其特征在于，所述第四二极管为金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极晶体管。
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