CN111181401A - 开关谐振腔变换器 - Google Patents

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Abstract

本公开为一种开关谐振腔变换器，包含按序电连接的至少三级变换单元，每一级变换单元由第一类变换单元或第二类变换单元构成，每一第一类变换单元的支撑电容的一端接地，每一第二类变换单元的半桥钳位电路的一端接地，半桥钳位电路的中点与第二类变换单元的支撑电容的一端电连接；第一级变换单元由第一类变换单元所构成，第三级变换单元至最后一级变换单元中的至少一级变换单元由第二类变换单元构成，且由第二类变换单元构成的至少一级变换单元的半桥钳位电路的另一端电连接除第一级变换单元以外的级数较低的变换单元的支撑电容的另一端。

Description

开关谐振腔变换器
技术领域
本公开为一种变换器，特别涉及一种开关谐振腔变换器。
背景技术
随着全球互联网数据中心市场的规模不断扩大，数据中心的供电量对应急剧上升，而数据中心的处理器的供电要求也越来越高，因此通常会利用具两级架构变换器系统来对数据中心进行供电。在两级架构变换器系统中，前级架构需要较高效率，因此通常采用LLC变换器、移相全桥变换器或开关谐振腔变换器来构成，后级架构则通常采用降压(buck)变换器来构成，借此两级架构变换器系统便具有高频率、小体积、高动态响应等优点，进而广泛应用于数据中心。
因开关谐振变换器与LLC变换器、移相全桥变换器相比，并不存在变压器，使得开关谐振变换器的体积可相对小于LLC变换器及移相全桥变换器的体积，且开关谐振变换器在低变压比时其运行效率亦比LLC变换器及移相全桥变换器的运行效率高，因此近几年得到广泛的研究，并常应用于两级架构变换器系统的前级架构中。
传统开关谐振腔变换器包含多个变换单元，并通过多个变换单元而构成多级变换器结构，其中依据变压比的差异可而分为第一种传统开关谐振腔变换器以及第二种传统开关谐振腔变换器，第一种传统开关谐振腔变换器在每增加1级，即增加一个变换单元时，变压比只加1，换言之，第一种传统开关谐振腔变换器若为N级变换器结构，则实现最高为N+1的变压比。第二种传统开关谐振腔变换器在每增加1级，即增加一个变换单元时，变压比只加2，换言之，第二种传统开关谐振腔变换器若为N级变换器结构，则实现最高为2N变压比。
然而无论是第一种传统开关谐振腔变换器或是第二种传统开关谐振腔变换器，其在高变压比时所需级数较高，例如第一种传统开关谐振腔变换器欲实现16：1的变压比时，则需要构成15级变换器结构，而第二种传统开关谐振腔变换器欲实现16：1的变压比时，则需要构成8级变换器结构，如此一来，第一种传统开关谐振腔变换器或是第二种传统开关谐振腔变换器存在高变压时，电路是较为复杂且成本较高的缺失。
因此，如何发展一种克服上述缺点的开关谐振腔变换器，实为目前迫切的需求。
发明内容
本公开的主要目的在于提供一种开关谐振腔变换器，其是在N级变换器结构时，最高可实现2N的变压比，以解决传统开关谐振腔变换器存在高变压时电路是较为复杂且成本较高的缺失。
本公开的另一目的在于提供一种开关谐振腔变换器，其是利用第一类变换单元与第二类变换单元的个数的改变或连接关系的改变而实现不同的变压比，并依据第一类变换单元的个数而提供一路或多个路的相异电压输出。此外，可通过不同的开关管的控制方式而动态调整开关谐振腔变换器的变压比。
为达上述的目的，本公开的一优选实施例为提供一种开关谐振腔变换器，包含N级变换单元，N为大于或等于3的整数，每一级变换单元由第一类变换单元与第二类变换单元的其中之一所构成，每一级变换单元包含：输入端；输出端；支撑电容，包含第一端及第二端，支撑电容的第一端电连接输出端；半桥逆变电路，半桥逆变电路的第一端电连接输入端，半桥逆变电路的第二端电连接输出端；半桥整流电路，半桥整流电路的第一端电连接接地端，半桥整流电路的第二端电连接第一级变换单元的支撑电容的第一端；以及谐振腔，谐振腔的第一端电连接半桥逆变电路的中点，谐振腔的第二端电连接半桥整流电路的中点；其中，每一第一类变换单元的支撑电容的第二端电连接接地端，每一第二类变换单元还包含半桥钳位电路，半桥钳位电路的第一端电连接接地端，半桥钳位电路的中点是与所对应的第二类变换单元的支撑电容的第二端电连接；其中，每一级变换单元的输出端电连接低一级变换单元的输入端，且第一级变换单元的输出端电连接负载端并由第一类变换单元所构成，第N级变换单元的输入端电连接电源端，第三级变换单元至第N级变换单元中的至少一级变换单元是由第二类变换单元所构成，且该第二级变换单元至该第N级变换单元中由该第二类变换单元所构成的每一级该变换单元的该半桥钳位电路的一第二端电连接级数较低的该变换单元的该支撑电容的该第一端，且该第三级变换单元至该第N级变换单元中由该第二类变换单元所构成的至少一级该变换单元的该钳位电路的该第二端不电连接该第一级变换单元的该支撑电容的该第一端。
附图说明
图1a为本公开第一优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图；
图1b为图1a所示的为每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图；
图1c为图1a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图；
图2a为本公开第二优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图；
图2b为图2a所示的为每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图；
图2c为图2a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图；
图3a为本公开第三优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图；
图3b为图3a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图；
图3c为图3a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图；
图4a为本公开第四优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图；
图4b为在第一种工作方式下，图4a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图；
图4c为在第一种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图；
图4d为在第二种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的第一开关管恒定导通而第二开关管恒定关断，且其余的第一开关管、每一第四开关管与第六开关管导通，而其余的第二开关管、每一第三开关管与第五开关管关断时的电路示意图；
图4e为在第二种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的第一开关管恒定导通而第二开关管恒定关断，且其余的第一开关管、每一第四开关管与第六开关管关断，而其余的第二开关管、每一第三开关管与第五开关管导通时的电路示意图。
附图标记说明：
1、3、4、5：开关谐振腔变换器
2：变换单元
20：输入端
21：输出端
22：半桥逆变电路
23：半桥整流电路
24：谐振腔
25：半桥钳位电路
8：负载端
9：电源端
C：支撑电容
S1：第一开关管
S2：第二开关管
S3：第三开关管
S4：第四开关管
S5：第五开关管
S6：第六开关管
Cr：谐振电容
Lr：谐振电感
G：接地端
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非限制本公开。本公开中复数个指多个，其可以指两个或两个以上。
本公开为一种开关谐振腔变换器，还可为直流/直流开关谐振腔变换器，其概念在于开关谐振腔变换器包含N级变换单元，其中N为大于或等于3的整数，此外，每一级变换单元可由第一类变换单元与第二类变换单元的其中之一所构成，其中每一级变换单元不论是由第一类变换单元或第二类变换单元所构成，皆包含输入端、输出端、支撑电容、半桥逆变电路、半桥整流电路以及谐振腔。支撑电容包含第一端及第二端，支撑电容的第一端电连接输出端。半桥逆变电路的第一端电连接输入端，半桥逆变电路的第二端电连接输出端。半桥整流电路的第一端电连接接地端，半桥整流电路的第二端电连接第一级变换单元的支撑电容的第一端。谐振腔的第一端电连接半桥逆变电路的中点，谐振腔的第二端电连接半桥整流电路的中点。其中每一第一类变换单元的支撑电容的第二端电连接接地端，每一第二类变换单元还包含半桥钳位电路，半桥钳位电路的第一端电连接接地端，半桥钳位电路的中点是与所对应的第二类变换单元的支撑电容的第二端电连接；其中，每一级变换单元的输出端电连接低一级变换单元的输入端，且第一级变换单元的输出端电连接负载端并由第一类变换单元所构成，第N级变换单元的输入端电连接电源端，第三级变换单元至第N级变换单元中的至少一级变换单元是由第二类变换单元所构成，且第二级变换单元至第N级变换单元中由第二类变换单元所构成的每一级变换单元的半桥钳位电路的一第二端电连接级数较低的变换单元的支撑电容的第一端，且第三级变换单元至第N级变换单元中由第二类变换单元所构成的至少一级变换单元的该钳位电路的第二端不电连接第一级变换单元的支撑电容的第一端。
以下将示范性说明符合上述开关谐振腔变换器的概念的可能实施方式，且在不同附图中是以相同标号代表组件结构与动作相似。请参阅图1a，其为本公开第一优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图。如图1a所示，开关谐振腔变换器1电连接于负载端8及电源端9之间，且可包含N级变换单元2(即N个变换单元2)而形成N级变换器结构，其中N为大于或等于3的整数，而每一级变换单元2是变频或定频工作，图1a则示范性地以开关谐振腔变换器1包含4级变换单元2而形成4级变换器结构来进行说明，此外，与负载端8电连接的变换单元2为第一级变换单元2，与电源端9电连接的变换单元2为最后一级变换单元2，因此图1a所示的4级变换单元2由右到左分别为第一级变换单元2、第二级变换单元2、第三级变换单元2及第四级变换单元2，更甚者，四个变换单元2皆包含输入端20、输出端21、支撑电容C、半桥逆变电路22、半桥整流电路23以及谐振腔24。每一级变换单元2的支撑电容C包含第一端以及第二端，支撑电容C的第一端电连接于自身所对应的变换单元2的输出端21。半桥逆变电路22的第一端电连接于自身所对应的变换单元2的输入端20，半桥逆变电路22的第二端电连接于自身所对应的变换单元2的输出端21。每一级变换单元2的半桥整流电路23的第一端电连接于接地端G，每一级变换单元2的半桥整流电路23的第二端电连接于第一级变换单元2的支撑电容C的第一端。谐振腔24的第一端电连接半桥逆变电路22的中点，谐振腔24的第二端电连接半桥整流电路23的中点。
另外，于本实施例中，第一级变换单元2是由第一类变换单元所构成，因此第一级变换单元2的支撑电容C的第二端电连接于接地端G。第二级变换单元2、第三级变换单元2及第四级变换单元2则由第二类变换单元所构成，因此第二级变换单元2、第三级变换单元3及第三级变换单元4分别包含半桥钳位电路25，半桥钳位电路25的第一端电连接于接地端G，半桥钳位电路25的中点是与自身所对应的变换单元2的支撑电容C的第二端电连接。
再者，每一级变换单元2的输出端21电连接比自身低一级的变换单元2的输入端20，即第4级变换单元2的输出端21电连接第3级变换单元2的输入端20，第3级变换单元2的输出端21电连接第2级变换单元2的输入端20，第2级变换单元2的输出端20电连接第1级变换单元2的输入端20，至于第一级变换单元2的输出端21则电连接负载端8，因此第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于负载端8的直流电压。又第三级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第二级变换单元2的支撑电容C的第一端，第四级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第三级变换单元2的支撑电容C的第一端，至于第二级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端则电连于第一级变换单元2的支撑电容C的第一端。
于上述实施例中，每一半桥钳位电路25是包含为互补运行的第一开关管S1以及第二开关管S2，第一开关管S1电连接对应的半桥钳位电路25的第一端及第二开关管S2之间，第二开关管S2电连接对应的半桥钳位电路25的第二端及第一开关管S1之间。每一半桥逆变电路22是包含为互补运行的第三开关管S3以及第四开关管S4，第三开关管S3电连接第四开关管S4及半桥逆变电路22的第二端之间，第四开关管S4电连接第三开关管S3及半桥逆变电路22的第一端之间。每一半桥整流电路23是包含为互补运行的第五开关管S5以及第六开关管S6，第五开关管S5电连接第六开关管S6及半桥整流电路22的第一端之间，第六开关管S6电连接第五开关管S5及半桥整流电路22的第二端之间。
更甚者，所有变换单元2的所有第三开关管S3、所有第五开关管S5及由第二类变换单元所构成的第二级变换单元2至第四级变换单元2的第二开关管S2是同时导通及同时关断，所有变换单元2的所有第四开关管S4、第六开关管S6及由第二类变换单元所构成的第二级变换单元2至第四级变换单元2的第一开关管S1是同时导通及同时关断，其中在不考虑死区时间的情况下，每一开关管的导通和关断的占空比为50％。再者，谐振腔24包含谐振电感Lr和谐振电容Cr，谐振电容Cr与谐振电感Lr串联连接，然于其它实施例中，谐振腔24亦可为谐振电感Lr和谐振电容Cr串联连接的等效电路，当然，谐振腔24亦可只包含谐振电感Lr或谐振电容Cr。
请参阅图1b及图1c并配合图1a，其中图1b为图1a所示的为每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图，图1c为图1a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图。如图所示，当第一级变换单元2的第三开关管S3及第五开关管S5导通，如图1c所示，此时第一级变换单元2的谐振电容Cr是放电给第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，于此假设支撑电容C的直流电压为Vo。当第二级变换单元2的第一开关管S1及第一级变换单元2的第四开关管S4与第六开关管S6导通，如图1b所示，此时第二级变换单元2的支撑电容C是放电至第一级变换单元2的谐振电容Cr及支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，亦即Vo，因此根据基尔霍夫电压定律(KVL)可知，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与支撑电容C的直流电压之和，即第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo。当第二级变换单元2的第二开关管S2、第三开关管S3与第五开关管S5导通，如图1c所示，此时第二级变换单元2的谐振电容Cr放电至第二级变换单元2的支撑电容C和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压为Vo，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于3Vo。当第三级变换单元2的第一开关管S1、第二级变换单元2的第四开关管S4及第六开关管S6导通，如图1b所示，此时第三级变换单元2的支撑电容C放电至第二级变换单元2的谐振电容Cr和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于3Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于4Vo。当第三级变换单元2的第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5及第二级变换单元2的第二开关管S2导通，如图1c所示，此时第三级变换单元2的谐振电容Cr放电至第3级变换单元2的支撑电容C、第二级变换单元2的支撑电容C和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压为Vo，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于4Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压、第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于7Vo。当第四级变换单元2的第一开关管S1、第三级变换单元2的第四开关管S4及第六开关管S6导通，如图1b所示，此时第四级变换单元2的支撑电容C放电至第三级变换单元2的谐振电容Cr和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于7Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第四级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第四级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于8Vo。当第四级变换单元2的第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5、第三级变换单元2的第二开关管S2与第二级变换单元2的第二开关管S2导通，如图1c所示，此时第四级变换单元2的谐振电容Cr放电至第四级变换单元2的支撑电容C、第三级变换单元2的支撑电容C、第二级变换单元2的支撑电容C和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于4Vo，第四级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于8Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第四级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第四级变换单元2的支撑电容C的直流电压、第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压、第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于15Vo。当第四级变换单元2的第四开关管S4及第六开关管S6导通，如图1b所示，此时电源端9放电至第四级变换单元2的谐振电容Cr和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第四级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于15Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，电源端9的直流电压等于第四级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即电源端9的直流电压等于16Vo。而由上可知，图1所示的4级变换器结构的开关谐振腔变换器1便可实现16倍变压比，因此相较于第一种传统开关谐振腔变换器需要构成15级变换器结构才能实现16倍变压比，而第二种传统开关谐振腔变换器需要构成8级变换器结构才能实现16倍变压比，本实施例的开关谐振腔变换器1的电路是较为简单且成本较低。
另外，在类似于图1所示的实施方式中，当开关谐振腔变换器1为N级变换器架构，且第一级变换单元2由第一类变换单元所构成，而第二级变换单元2至第N级变换单元2分别由第二类变换单元2所构成，且第二级变换单元2至第N级变换单元2中的每一级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端电连接低一级的变换单元2的支撑电容C的第一端时，则开关谐振腔变换器1可达到最高变压比，即2N，因此相较于传统开关谐振腔变换器仅能实现最高为N+1变压比或2N变压比，本公开的开关谐振腔变换器1可利用较少级变换器架构而实现高变压比，因此本公开的开关谐振腔变换器1具有在高变压时电路是较为简单且成本较低的优势。
请参阅图2a，其为本公开第二优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图。如图2a所示，本实施例的开关谐振腔变换器3同样以包含4级变换单元2而形成4级变换器结构来示范性说明，其中第一级变换单元2同样由第一类变换单元所构成，第二级变换单元2至第四级变换单元2同样由第二类变换单元，唯相较于图1所示的开关谐振腔变换器1的第二级变换单元2至第N级变换单元2中的每一级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端电连接低一级的变换单元2的支撑电容C的第一端，即开关谐振腔变换器1的第三级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第二级变换单元2的支撑电容C的第一端，第四级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第三级变换单元2的支撑电容C的第一端，本实施例的开关谐振腔变换器3的第4级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是改为电连于第二级变换单元2的支撑电容C的第一端。
请参阅图2b及图2c并配合图2a，其中图2b为图2a所示的为每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图，图2c为图2a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图。如图2a-2c所示，当第一级变换单元2的第三开关管S3及第五开关管S5导通，如图2c所示，此时第一级变换单元2的谐振电容Cr是放电给第一级变换单元2的支撑电容C，因此在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，于此假设第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压为Vo。当第二级变换单元2的第一开关管S1及第一级变换单元2的第四开关管S4、第六开关管S6导通时，如图2b所示，第二级变换单元2的支撑电容C是放电至第一级变换单元2的支撑电容C及谐振电容Cr，而在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，即Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压与谐振电容Cr的直流电压之和，即第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo。而以此类推，可知电源端9的直流电压等于12Vo，因此图2a所示的4级变换器结构的开关谐振腔变换器3可实现12倍变压比。
而由图1a所示的开关谐振腔变换器1可实现16倍变压比，图2a中所示的开关谐振腔变换器3可实现12倍变压比得知，本公开的开关谐振腔变换器在包含第一类变换单元及第二类变换单元的三级以上变换器基础架构下，可利用第三级变换单元2至第N级变换单元中的每一级第二类变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是否均电连接于低一级的变换单元2的支撑电容C的第一端来改变变压比，因此本公开的开关谐振腔变换器在相同级数时可以实现变压比的多样化。
在一些实施例中，第二级变换单元2可以为第一类变换单元或第二类变换单元所构成，当第二级变换单元2为第二类变换单元所构成时，第二级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端电连接第一级变换单元2的支撑电容C的第一端。而第三级变换单元2至第N级变换单元2中，存在一级或多级变换单元2是由该第二类变换单元所构成，其余的由第一类变换单元构成。由第二类变换单元构成的变换单元2中，存在一级或多级变换单元的半桥钳位电路25的第二端电连接除第一级变换单元2之外的较低级变换单元2的支撑电容C的第一端(即存在一级或多级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是不电连接第一级变换单元2的支撑电容C的第一端)；其余的半桥钳位电路25的第二端电连接第一级变换单元2的支撑电容C的第一端。
请参阅图3a，其为本公开第三优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图。如图3a所示，本实施例的开关谐振腔变换器4相较于图1所示的开关谐振腔变换器1是改为包含3级变换单元2而形成3级变换器结构，且开关谐振腔变换器4的第一级变换单元2及第二级变换单元2是由第一类变换单元所构成，第三级变换单元2是由第二类变换单元所构成，又第三级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第二级变换单元2的支撑电容C的第一端。
请参阅图3b及图3c并配合图3a，其中图3b为图3a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图，图3c为图3a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图。如图3a-3c所示，当第一级变换单元2的第三开关管S3及第五开关管S5导通，如图3c所示，此时第一级变换单元2的谐振电容C是放电给第一级变换单元2的支撑电容C，因此在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，于此假设第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压为Vo。当第一级变换单元2的第四开关管S4与第六开关管S6导通时，如图3b所示，此时第二级变换单元2的支撑电容C是放电至第一级变换单元2的支撑电容C及谐振电容Cr，而在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，即Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压与谐振电容Cr的直流电压之和，即第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo。当第二级变换单元2的第三开关管S3与第五开关管S5导通时，如图3c所示，此时第二级变换单元2的谐振电容Cr放电至第二级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，而第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压，即2Vo。当第三级变换单元2的第一开关管S1、第二级变换单元2的第四开关管S4及第六开关管S6导通，即如图3b所示，此时第三级变换单元2的支撑电容C放电至第二级变换单元2的谐振电容Cr和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于2Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于3Vo。当第三级变换单元2的第二开关管S2、第三开关管S3与第五开关管S5导通时，如图3c所示，此时第三级变换单元2的谐振电容Cr放电至第三级变换单元2的支撑电容C及第二级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于3Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压与第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于5Vo。当第三级变换单元2的第四开关管S4与第六开关管S6导通时，如图3b所示，此时电源端9放电至第三级变换单元2的谐振电容Cr和第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于5Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律可知，电源端9的直流电压等于第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即电源端9的直流电压等于6Vo。
在第三实施例中，由于第二级变换单元2是由第一类变换单元所构成，亦即第二级变换单元2的支撑电容C的第二端电连接于接地端G，因此除了第一级变换单元2的输出端21可做为一路输出而提供6倍变压比的直流电压给负载端8，第二级变换单元2的输出端21亦可作为另一路输出而提供3倍变压比的直流电压给另一负载端(未图标)，故图3a所示的开关谐振腔变换器4实际上可同时输出两路不同直流电压。
在相同的开关谐振腔变换器的架构下，除了前述实施例所述的开关管的第一种控制方式，即第一级变换单元至第N级变换单元的所有第三开关管、所有第五开关管及由第二类变换单元所构成的每一级变换单元的第二开关管是同时导通及同时关断，第一级变换单元至第N级变换单元的所有第四开关管、第六开关管及由第二类变换单元所构成的每一级变换单元的第一开关管是同时导通及同时关断，可实现第一种变压比，于其它实施例中，亦可通过开关管的第二种控制方式，即第二级变换单元至第N级变换单元2中的至少一级变换单元的第一开关管恒定导通而第二开关管恒定关断，且第一级变换单元至第N级变换单元的所有第三开关管、第五开关管及其余第二开关管是同时导通及同时关断，第一级变换单元至第N级变换单元的所有第四开关管、第六开关管及其余第一开关管是同时导通及同时关断时，来实现第二种变压比，以下将再示范性说明。请参阅图4a，其为本公开第四优选实施例的开关谐振腔变换器的电路架构示意图。如图4a所示，本实施例的开关谐振腔变换器5相较于图1所示的开关谐振腔变换器1是改为包含3级变换单元2而形成3级变换器结构，且开关谐振腔变换器5的第一级变换单元2是由第一类变换单元所构成，第二级变换单元2及第三级变换单元2是由第二类变换单元所构成，又第二级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第一级变换单元2的支撑电容C的第一端，第三级变换单元2的半桥钳位电路25的第二端是电连于第二级变换单元2的支撑电容C的第一端。
请参阅图4b及图4c并配合图4a，其中图4b为在第一种工作方式下，图4a所示的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为导通，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为关断时的电路示意图，图4c为在第一种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的每一第一开关管、每一第四开关管及每一第六开关管为关断，而每一第二开关管、每一第三开关管及每一第五开关管为导通时的电路示意图。如图4b至图4c所示，在第一种开关管的控制方式，即前述第一实施例至第三实施例所述的第一级变换单元2至第N级变换单元2的所有第三开关管S3、所有第五开关管S5及由第二类变换单元所构成的每一级变换单元2的第二开关管S2是同时导通及同时关断，第一级变换单元2至第N级变换单元2的所有第四开关管S4、第六开关管S6及由第二类变换单元所构成的每一级变换单元2的第一开关管S1是同时导通及同时关断，则可如前述类似方式推导到本实施例的开关谐振腔变换器5可实现8倍变压比。
请参阅图4d及图4e并配合图4a，其中图4d为在第二种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的第一开关管恒定导通而第二开关管恒定关断，且其余的第一开关管、每一第四开关管与第六开关管导通，而其余的第二开关管、每一第三开关管与第五开关管关断时的电路示意图，图4e为在第二种工作方式下，图4a所示的第二级变换单元的第一开关管恒定导通而第二开关管恒定关断，且其余的第一开关管、每一第四开关管与第六开关管关断，而其余的第二开关管、每一第三开关管与第五开关管导通时的电路示意图。如图4d-4e所示，在第二种开关管的控制方式下，例如第二级变换单元2的第一开关管S1恒定导通而第二级变换单元2的第二开关管S2恒定关断，且第一级变换单元2至第三级变换单元2的所有第三开关管S3、第五开关管S5及其余第二开关管S2是同时导通及同时关断，第一级变换单元2至第三级变换单元2的所有第四开关管S4、第六开关管S6及其余第一开关管S1是同时导通及同时关断，其所能实现的变压比并不同于第一种控制方法所能实现的8倍变压比，更进一步而言，当第一级变换单元2的第三开关管S3及第五开关管S5导通，如图4e所示，此时第一级变换单元2的谐振电容Cr将放电至第一级变换单元2的支撑电容C，而于稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压，于此假设第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压为Vo。当第二级变换单元2的第一开关管S1、第一级变换单元2的第四开关管S4与第六开关管S4导通时，如图4d所示，此时第二级变换单元2的支撑电容C是放电至第一级变换单元2的谐振电容Cr及支撑电容C，而在稳态时第一级变换单元2的谐振电容Cr与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压皆为Vo，因此根据基尔霍夫电压定律，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于第一级变换单元2的谐振电容C的直流电压与支撑电容C的直流电压之和，即第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo。当第二级变换单元2的第一开关管S1、第三开关管S3及第五开关管S5导通时，如图4e所示，此时第二级变换单元2的谐振电容Cr是放电至第二级变换单元2的支撑电容C，而于稳态时，第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压相同，即2Vo。当第三级变换单元2的第一开关S1、第二级变换单元2的第四开关S4与第六开关S6导通，如图4d所示，此时第三级变换单元2的支撑电容C放电至第二级变换单元2的谐振电容Cr与第一级变换单元2的支撑电容C，而稳态时第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于2Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律，第三级变换单元2支撑电容C的直流电压等于第二级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即3Vo。当第三级变换单元2的第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5与第二级变换单元2的第一开关管S1导通，如图4e所示，此时第三级变换单元2的谐振电容Cr放电至第三级变换单元2的支撑电容C与第二级变换单元2的支撑电容C，而于稳态时第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于2Vo，第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于3Vo，因此根据基尔霍夫电压定律，第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于第三级变换单元2的支撑电容C的直流电压与第二级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即第三级变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于5Vo。当第三级变换单元2的第四开关S4与第六开关S6导通，如图4d所示，此时电源端9是放电至第三变换单元2的谐振电容Cr及第一级变换单元2的支撑电容C，而在稳态时第三变换单元2的谐振电容Cr的直流电压等于5Vo，第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压等于Vo，因此根据基尔霍夫电压定律，电源端9的直流电压等于第三变换单元2的谐振电容Cr的直流电压与第一级变换单元2的支撑电容C的直流电压之和，即6Vo。由前述内容可知，在相同的开关谐振腔变换器的架构下，通过前述第一种工作方式与第二种工作方式的切换，可实现相异的变压比切换。
综上所述，本公开是提供一种开关谐振腔变换器，其是包含N级变换单元，其中N为大于或等于3的整数，此外，每一级变换单元可由第一类变换单元与第二类变换单元的其中之一所构成，更甚者，每一级变换单元的输出端电连接低一级变换单元的输入端，且第一级变换单元的输出端电连接负载端并由第一类变换单元所构成，第N级变换单元的输入端电连接电源端，第三级变换单元至第N级变换单元中的至少一级变换单元是由第二类变换单元所构成，且第二级变换单元至第N级变换单元中，由第二类变换单元所构成的每一级变换单元的半桥钳位电路的第二端电连接级数较低的变换单元的支撑电容的第一端，且第三级变换单元至第N级变换单元中，由第二类变换单元所构成的至少一级变换单元的钳位电路的第二端不电连接第一级变换单元的支撑电容的第一端，借此本公开的开关谐振腔变换器在N级变换器结构时，最高可实现2N的变压比，进而达到在高变压时电路是较为简单且成本较低的优点，此外，本公开的开关谐振腔变换器还可利用第一类变换单元与第二类变换单元的个数的改变或连接关系的改变而实现不同的变压比，并依据第一类变换单元的个数而提供一路或多个路的相异电压输出。更甚者，本公开的开关谐振腔变换亦可通过不同的开关管的控制方式而动态调整开关谐振腔变换器的变压比。

Claims (10)

1.一种开关谐振腔变换器，包含N级变换单元，N为大于或等于3的整数，每一级该变换单元由一第一类变换单元与一第二类变换单元的其中之一所构成，每一级该变换单元包含：
一输入端；
一输出端；
一支撑电容，包含一第一端及一第二端，该支撑电容的一第一端电连接该输出端；
一半桥逆变电路，该半桥逆变电路的一第一端电连接该输入端，该半桥逆变电路的一第二端电连接该输出端；
一半桥整流电路，该半桥整流电路的一第一端电连接一接地端，该半桥整流电路的一第二端电连接该第一级变换单元的该支撑电容的该第一端；以及
一谐振腔，该谐振腔的一第一端电连接该半桥逆变电路的中点，该谐振腔的一第二端电连接该半桥整流电路的中点；
其中，每一该第一类变换单元的该支撑电容的该第二端电连接该接地端，每一该第二类变换单元还包含一半桥钳位电路，该半桥钳位电路的一第一端电连接该接地端，该半桥钳位电路的中点是与所对应的该第二类变换单元的该支撑电容的该第二端电连接；
其中，每一级该变换单元的该输出端电连接低一级该变换单元的该输入端，且该第一级变换单元的该输出端电连接一负载端并由该第一类变换单元所构成，该第N级变换单元的该输入端电连接一电源端，该第三级变换单元至该第N级变换单元中的至少一级该变换单元是由该第二类变换单元所构成，且该第二级变换单元至该第N级变换单元中由该第二类变换单元所构成的每一级该变换单元的该半桥钳位电路的一第二端电连接级数较低的该变换单元的该支撑电容的该第一端，且该第三级变换单元至该第N级变换单元中由该第二类变换单元所构成的至少一级该变换单元的该钳位电路的该第二端不电连接该第一级变换单元的该支撑电容的该第一端。
2.如权利要求1所述的开关谐振腔变换器，其中该第二级变换单元至该第N级变换单元是分别由该第二类变换单元所构成。
3.如权利要求2所述的开关谐振腔变换器，其中该第二级变换单元至该第N级变换单元中的每一级该变换单元的该半桥钳位电路的该第二端电连接低一级的该变换单元的该支撑电容的该第一端。
4.如权利要求1所述的开关谐振腔变换器，其中每一该半桥钳位电路是包含为互补运行的一第一开关管以及一第二开关管，该第一开关管电连接对应的该半桥钳位电路的该第一端及该第二开关管之间，该第二开关管电连接对应的该半桥钳位电路的该第二端及该第一开关管之间；每一该半桥逆变电路是包含为互补运行的一第三开关管以及一第四开关管，该第三开关管电连接该第四开关管及该半桥逆变电路的该第二端之间，该第四开关管电连接该第三开关管及该半桥逆变电路的该第一端之间；每一该半桥整流电路是包含为互补运行的一第五开关管以及一第六开关管，该第五开关管电连接该第六开关管及该半桥整流电路的该第一端之间，该第六开关管电连接该第五开关管及该半桥整流电路的一第二端之间。
5.如权利要求4所述的开关谐振腔变换器，其中该第一级变换单元至该第N级变换单元的所有该第三开关管、所有该第五开关管及由该第二类变换单元所构成的每一级该变换单元的该第二开关管是同时导通及同时关断，该第一级变换单元至该第N级变换单元的所有该第四开关管、该第六开关管及由该第二类变换单元所构成的每一级该变换单元的该第一开关管是同时导通及同时关断。
6.如权利要求5所述的开关谐振腔变换器，其中在不考虑死区时间的情况下，导通和关断的占空比为50％。
7.如权利要求4所述的开关谐振腔变换器，其中该第二级变换单元至该第N级变换单元中的至少一级该变换单元的该第一开关管恒定导通而该第二开关管恒定关断，该第一级变换单元至该第N级变换单元的所有该第三开关管、该第五开关管及其余该第二开关管是同时导通及同时关断，该第一级变换单元至该第N级变换单元的所有该第四开关管、该第六开关管及其余该第一开关管是同时导通及同时关断。
8.如权利要求1所述的开关谐振腔变换器，其中该第一级变换单元至该第N级变换单元中的每一级该变换单元是变频或定频工作。
9.如权利要求1所述的开关谐振腔变换器，其中该谐振腔包含一电感或一电容。
10.如权利要求1所述的开关谐振腔变换器，其中该谐振腔包含一电感和一电容，该电感与该电容串联连接。
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