CN117157865A - 直流至直流变换器 - Google Patents

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CN117157865A CN202180097149.4A CN202180097149A CN117157865A CN 117157865 A CN117157865 A CN 117157865A CN 202180097149 A CN202180097149 A CN 202180097149A CN 117157865 A CN117157865 A CN 117157865A
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Abstract

本申请提供一种直流至直流变换器。本申请的直流至直流变换器包括第一基本谐振单元，第一基本谐振单元具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一基本谐振单元包括第一开关管、第二开关管、第一电容、第一电感、第一电容单元和第二电容单元；第一基本谐振单元输入电源、第一开关管连通且第二开关管断开的状态下，第一二极管导通，第二二极管关断，第一谐振电路与第一电容单元之间形成谐振回路；第一基本谐振单元输入电源、第二开关管连通且第一开关管断开的状态下，第二二极管导通，第一二极管关断，且第二谐振电路和第二电容单元形成谐振回路。该直流至直流变换器具有转换效率高、驱动器数量少，可靠性高的特点。

Description

直流至直流变换器 技术领域
本申请涉及电气技术领域，并且更具体地，涉及直流至直流(DC/DC)变换器。
背景技术
一种常用的DC/DC变换器主要由储能元件(例如电感和/或电容)和开关器件组成。该DC/DC变换器的工作原理如下：控制开关管周期性地开通与关断，使得储能元件上产生周期性的电物理量(电流和/或电压)变化，即产生谐振，从而实现特定增益的直流电变换。该DC/DC变换器也可以称为谐振开关电容变换器。
现有的谐振开关电容变换器可以由至少一个基本谐振单元构成，每个谐振单元由四个开关管、三个电容和一个电感通过导线连接而成，其中，四个开关管对应四个驱动。
由于这种DC/DC变换器的驱动数量较多，使得驱动成本增大，且DC/DC变换器体积增大，进而限制了DC/DC变换器的应用范围。
发明内容
本申请提供了一种直流至直流变换器，该直流至直流变换器可以灵活实现不同的输出电压增益，且驱动数量相对较少，相应地，直流至直流变换器的体积小，成本低，可靠性高。
第一方面，本申请提供一种直流至直流变换器，其特征在于，所述直流至直流变换器包括第一基本谐振单元，所述第一基本谐振单元具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一基本谐振单元包括第一谐振电路、第二谐振电路、第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元的第一端口、所述第一谐振电路的第一端口和所述第一基本谐振单元的第一端口相连，所述第一电容单元的第二端口、所述第二谐振电路的第二端口和所述第一基本谐振单元的第二端口相连，所述第二电容单元的第一端口、所述第二谐振电路和所述第一基本谐振单元的第三端口相连，所述第二电容单元的第二端口、所述第二谐振电路的第二端口和所述第一基本谐振单元的第四端口相连；所述第一谐振电路包括第一开关管单元、第一二极管单元和谐振子电路，所述谐振子电路包括第一电容和第一电感，所述第二谐振电路包括第二开关管单元、第二二极管单元和所述谐振子电路，所述第一电容单元和第二电容单元分别包括至少一个电容，所述第一开关管单元和所述第二开关管单元分别包括至少一个开关管，所述第一二极管单元和所述第二二极管单元分别包括至少一个二极管；所述第一基本谐振单元用于：输入电源、所述第一开关管单元连通且所述第二开关管单元断开的状态下，所述第一二极管单元导通，所述第二二极管单元关断，所述第一谐振电路与所述 第一电容单元之间形成谐振回路；所述第一基本谐振单元还用于：输入电源、所述第二开关管单元连通且所述第一开关管单元断开的状态下，所述第二二极管单元导通，所述第一二极管单元关断，且所述第二谐振电路和所述第二电容单元形成谐振回路。
本申请提供的直流至直流变换器中使用了二极管，二极管具有单向导电性，可以替代部分开关管实现直流转换的功能，由于使用开关管会用到驱动器件，所以使用二极管替代部分开关管可以减少驱动器件的数量，降低驱动成本，减小变换器体积，增强可靠性。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一电容单元、所述第一开关管单元、所述谐振子电路和所述第一二极管单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连；所述第二电容单元、所述第二二极管单元、所述谐振子电路和所述第二开关管单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第二二极管单元中的二极管的负极相连。
结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述第一开关管单元、所述第一电容、所述第一二极管单元、所述第一电感和所述第一电容单元依次串联，并且，所述第一电容与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连；所述第二开关管单元与所述第一开关管单元和所述第一电感依次串联；所述第二电容单元、所述第二二极管单元、所述第一二极管单元和所述第一电感依次串联，并且，所述第二二极管单元中的二极管的负极与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连。
结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述第一开关管单元、所述谐振子电路、所述第一二极管单元和所述第一电容单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第一二极管单元的正极相连；所述第二开关管单元与所述第一开关管单元和所述第一电容电源依次串联；所述第二电容单元、所述第二二极管单元和所述第一二极管单元依次串联，并且，所述第二二极管中的二极管的负极与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连。
结合第一方面或上述任意一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一基本谐振单元为所述直流至直流变换器包含的n个基本谐振单元中的一个，所述n个基本谐振单元的结构相同，n为大于1的整数；所述n个基本谐振单元中，第i个基本谐振单元的第一端口与第i+1个基本谐振单元的第二端口相连，每个基本谐振单元的第三端口、第一个基本谐振单元的第二端口均与所述直流至直流变换器的电源输出端口相连，每个基本谐振单元的第四端口均与所述直流至直流变换器的接地端口相连，第n个基本谐振单元的第一端口与所述直流至直流变换器的电源输入端口相连，i为小于n的正整数。
结合第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述n个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元中的第二电容单元为同一个电容单元。
结合第一方面或第一种可能的实现方式至第三种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第一基本谐振单元为所述直流至直流变换器包含的m个基本谐振单元中的一个，所述m个基本谐振单元的结构相同，m为大于1的整数；所述m个基本谐振单元中，第j个基本谐振单元的第二端口与第j+1个基本谐振单元的第一端口相连，每个基本谐振单元的第四端口、第一个基本谐振单元的第一端口均与所述直流 至直流变换器的电源输入端口相连，每个基本谐振单元的第三端口均与所述直流至直流变换器的接地端口相连，第n个基本谐振单元的第二端口与所述直流至直流变换器的电源输出端口相连，j为小于m的正整数。
结合第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述m个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元中的第二电容单元为同一个电容单元。
第二方面，本申请提供一种直流至直流变换器的驱动方法，所述方法应用于所述直流至直流变换器中，所述方法包括：向所述第一开关管的第三个端口输出第一驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述第一开关管导通；向所述第二开关管的第三个端口输出第二驱动信号，所述第二驱动信号用于控制所述第二开关管导通，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比不重叠。
所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比不重叠可以包括不完全重叠或完全不重叠。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比与50％的差值小于或等于第一阈值。
结合第二方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号互补。
结合第二方面或上述任意一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的频率与所述第一基本谐振单元的固有频率的差值小于或等于第二阈值。
第三方面，本申请提供一种直流至直流变换器的驱动装置，所述装置包括：输出模块，用于所述向所述第一开关管的第三个端口输出第一驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述第一开关管导通；所述输出模块还用于向所述第二开关管的第三个端口输出第二驱动信号，所述第二驱动信号用于控制所述第二开关管导通。
结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比与50％的差值小于或等于第一阈值。
或者说，第一驱动信号和/或第二驱动信号的占空比等于50％，此处所说的等于并不要求是绝对等于，可以是约等于。
结合第三方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号互补。
结合第三方面或上述任意一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的频率与所述第一基本谐振单元的固有频率的差值小于或等于第二阈值。
第四方面，本申请提供一种直流至直流变换系统，所述系统包括控制器和第一方面中的直流至直流变换器，所述控制器与所述直流至直流变换器连接，所述控制器用于执行第二方面中所述的方法。
附图说明
图1为现有技术提供的一种谐振开关电容直流至直流变换器示意图；
图2为本申请提出的基本谐振单元的结构示意图；
图3为本申请一个实施例的基本谐振单元的结构示意图；
图4为本申请另一个实施例的基本谐振单元的结构示意图；
图5为本申请又一个实施例的基本谐振单元的结构示意图；
图6为本申请一个实施例的降压DC/DC变换器的示例性结构图；
图7为本申请一个实施例的DC/DC变换器的结构示意图；
图8为本申请一个实施例的DC/DC变换器的输入电压和输出电压的示意图；
图9为本申请一个实施例的基本谐振单元的两个开关管的驱动信号、谐振电容的电流和谐振电感的电压随时间的变化示意图；
图10为本申请一个实施例的升压DC/DC变换器的示例性结构图；
图11为本申请另一个实施例的DC/DC变换器的结构图；
图12为本申请另一个实施例的DC/DC变换器的输入电压和输出电压的示意图；
图13为本申请另一个实施例的基本谐振单元的两个开关管的驱动信号、谐振电容的电流和谐振电感的电压随时间的变化示意图；
图14为本申请一个实施例提供的DC/DC变换器的驱动方法的流程示意图；
图15为本申请一个实施例提供的DC/DC变换器的驱动装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的实施方式进行详细描述。
图1为现有技术提供的一种谐振开关电容直流变换器示意图。如图1所示，该谐振开关电容直流变换器包括输入电源V in、基本谐振单元101、基本谐振单元102、基本谐振单元103、电源输出端V out和电容C4，可以实现4:1的输出增益。
基本谐振单元101包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容Cr1、电容C1和电感Lr1，基本谐振单元102包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容Cr2、电容C2和电感Lr2，基本谐振单元103包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容Cr3、电容C3和电感Lr3，三个基本谐振单元共用一个电容C4。
开关管Q1和开关管Q2的驱动信号占空比为50％，且与开关管Q3和开关管Q4的驱动光信号互补，所以在开关管Q1和开关管Q2接通时，开关管Q3和开关管Q4关断，当开关管Q3和开关管Q4接通时，开关管Q1和开关管Q2关断，由此，该谐振开关电容直流变换器可以实现直流转换，另外，每个基本谐振单元中四个开关管的驱动信号的频率约为每个基本谐振单元的固有频率，通过增多或者减少基本谐振单元的数量，可以实现不同的增益。
然而，现有技术提供的谐振开关电容变换器中每个基本谐振单元有四个开关管，使用时，需要不断控制各个开关管的接通与关断来实现直流转换的功能，在实际应用中，由于需要对开关管增加驱动信号，所需要的驱动器件使得谐振开关电容变换器的体积和成本增加，同时复杂的器件连接也降低了电路的可靠性。
针对现有技术中驱动数量多，导致驱动成本增加和变换器增大的问题，本申请提出了新的基本谐振单元和新的直流至直流DC/DC变换器，该基本谐振单元和DC/DC 变换器具有电能转换效率高、驱动器数量少和可靠性高的特点。
如图2所示，本申请提出的基本谐振单元具有第一端口201、第二端口202、第三端口203和第四端口204，该基本谐振单元包括第一谐振电路210、第二谐振电路220、第一电容单元240和第二电容单元250。
第一电容单元240的第一端口2401、第一谐振电路的第一端口2101与基本谐振单元的第一端口201相连，第一电容单元240的第二端口2402、第一谐振电路210的第二端口2102与基本谐振单元的第二端口202相连，第二电容单元250的第一端口2501、第二谐振电路220的第一端口2201与基本谐振单元的第三端口203相连，第二电容单元250的第二端口2502、第二谐振电路的第二端口2202与基本谐振单元的第四端口204相连。
第一谐振电路210包括第一开关管单元211、第一二极管单元212、电容单元213和电感单元214；第二谐振电路220包括第二开关管单元221、第二二极管单元222、电容单元213和电感单元214；第一电容单元240和第二电容单元250分别包括至少一个电容；第一开关管单元211和第二开关管单元221分别可以包含至少一个开关管，该开关管可以是信号驱动的开关管，例如在信号的驱动下导通或关断；第一二极管单元212和第二二极管单元222分别可以包含至少一个二极管，电感单元214可以包括至少一个电容，电容单元213可以包括至少一个电感。第一开关管单元中的开关管可以称为第一开关管，第二开关光单元中的开关管可以称为第二开关管，第一二极管单元中的二极管可以称为第一二极管，第二二极管单元中的二极管可以称为第二二极管。
其中，电感单元214和电容单元213构成的电路可以称为谐振子电路，该谐振电路子电路可以是并联谐振电路，例如电容单元213和电感单元214并联；或可以是串联谐振电路，例如电容单元213和电感单元214串联。电容单元213中包含的电容可以称为谐振电容或者第一电容，电感单元214中包含的电感可以称为谐振电感或第一电感。
其中，基本谐振单元输入电源、第一开关管单元211连通且第二开关管单元221断开的状态下，第一二极管单元212导通，第二二极管单元222关断，且第一谐振电路210和第一电容单元240形成第一谐振回路，以实现第一电容单元的充电或放电功能。
基本谐振单元输入电源、第二开关管单元221连通且第一开关管单元211断开的状态下，第二二极管单元222导通，第一二极管单元212关断，且第二谐振电路220和第二电容单元240形成第二谐振回路，以实现第二电容电源的放电或充电功能。
可以理解的是，图2中所示的第一开关管单元211、电感单元214、电容单元213和第一二极管单元212的连接方式仅是一种示例，本申请并不限制其连接顺序；图2中所示的第二开关管单元221、电感单元214、电容单元213和第二二极管单元222的连接方式仅是一种示例，本申请并不限制其连接顺序。
本申请提供的基本谐振单元与现有谐振单元相比，用二极管替代开关管，从而可以节省驱动信号，从而可以降低基本谐振单元的元器件成本和驱动成本，进而可以扩大基本谐振单元的应用范围，最终可以扩大DC/DC变换器的应用范围。
本申请一个实施例中，第一电容单元、第一开关管单元、谐振子电路和第一二极 管单元依次串联，并且，谐振子电路与第一二极管单元中的二极管的正极相连；第二电容单元、第二二极管单元、谐振子电路和第二开关管单元依次串联，并且，谐振子电路与第二二极管单元中的二极管的负极相连。
该实施例中，因为谐振子电路与第一二极管单元中的二极管的正极相连，与第二二极管单元中的二极管的负极相连，因此，第一开关管单元导通和第二开关管单元关断的状态下，第一二极管单元可以导通，第二二极管单元可以关断，在第二开关管单元导通和第一开关管单元关断的状态下，第二二极管单元可以导通，第一二极管单元可以关断，以实现一个谐振回路充电，另一个谐振回路放电的功能。
第一电容单元包括一个电容C i_1，第二电容单元包括一个电C 0_1容时，本实施例的基本谐振单元的一种结构示意图如图3所示。图3所示的基本谐振单元中，第一端口记为A1、第二端口记为B1、第三端口记为C1、第四端口记为D1，第一开关管记为S up_1，第二开关管记为S dn_1，第一二极管记为D up_1，第二二极管记为D dn_1，第一电感记为L r_1，第一电容记为C r_1。
其中，第一开关管S up_1、第一二极管D up_1、第一电感L r_1、第一电容C r_1和电容C i_1依次串联，电容C i_1的一个端口与基本谐振单元的第一端口A1连接，电容C i_1的另一个端口与基本谐振单元的第二端口B1连接，第一电容C r_1与第一二极管D up_1的正极连接。
电容C 0_1、第二开关管S dn_1、第一电感L r_1、第一电容C r_1和第二二极管D dn_1依次串联，且第一电容C r_1与第二二极管D dn_1的负极连接。
由于第二二极管D dn_1与第一电容C r_1相连的电极，与第一二极管D up_1中与第一电容C r_1相连的电极的极性相反，所以第一二极管D up_1和第二二极管D dn_1不会同时导通。
与现有技术中每个基本谐振单元包括四个开关管相比，本申请提供的DC/DC变换器中，每个基本谐振单元包括两个开关管，同时，利用二极管的单向导电性，可以实现直流转换功能。由于开关管数量减少一半，可以实现开关管的控制更加简单，由此带来的驱动器件数量也减少一半，所以，驱动器件成本降低，DC/DC变换器的体积下降，增强了可靠性。
可选地，图3所示的基本谐振单元中的第一电感L r_1与第一电容C r_1的位置可以交换。
本申请另一个实施例的基本谐振单元中，第一开关管单元、第一电容、第一二极管单元、第一电感和第一电容单元依次串联，并且，第一电容与第一二极管单元中的二极管的正极相连；第二开关管单元与第一开关管单元和第一电感依次串联；第二电容单元、所述第二二极管单元、第一二极管单元和第一电感依次串联，并且，第二二极管中的二极管的负极与第一二极管单元中的二极管的正极相连。
第一电容单元包括一个电容C i_1，第二电容单元包括一个电C 0_1容时，本实施例的基本谐振单元的一种示例性结构如图4所示。图4所示的基本谐振单元中，与图3所示基本谐振单元中相同的附图标记表示相同的含义，此处不再赘述。
第一开关管S up_1的第一个端口、基本谐振单元的第一端口A1和电容C i_1的一个端口的相连，第一开关管S up_1的第二个端口、第二开关管S dn_1的第一个端口和第一 电容C r_1的一个端口相连，第二开关管S dn_1的第二个端口、第一电感L r_1的一个端口和第一二极管D up_1的负极相连，第一电容C r_1的另一个端口、第一二极管D up_1的正极和第二二极管D dn_1的负极相连，第二二极管D dn_1的正极、基本谐振单元的第四端口D1和电容C 0_1的一个端口相连，电容C 0_1的另一个端口、第一电感L r_1的另一个端口、电容C i_1的另一个端口、基本谐振单元的第二端口B1和基本谐振单元的第三端口C1相连。
本申请又一个实施例的基本谐振单元中，第一开关管单元、谐振子电路、第一二极管单元和第一电容单元依次串联，并且，谐振子电路与第一二极管单元中的二极管的正极相连；第二开关管单元与第一开关管单元和第一电容电源依次串联；第二电容单元、第二二极管单元和第一二极管单元依次串联，并且，第二二极管单元中的二极管的负极与第一二极管单元中的二极管的正极相连。
第一电容单元包括一个电容C i_1，第二电容单元包括一个电C 0_1容时，本实施例的基本谐振单元的一种示例性结构如图5所示。图5所示的基本谐振单元中与图3所示基本谐振单元中相同的附图标记表示相同的含义，此处不再赘述。
其中，第一端口A1、第一开关管S up_1的第一个端口和电容C i_1的一个端口相连，第一开关管S up_1的第二个端口、第二开关管S dn_1的第一个端口和第一电感L r_1的一个端口相连，第一电感L r_1的另一个端口和第一电容C r_1的一个端口相连，第一电容C r_1的另一个端口、第一二极管D up_1的正极和第二二极管D dn_1的负极相连，第二二极管D dn_1的正极、电容C 0_1的一个端口和基本谐振单元的第四端口D1相连，基本谐振单元的第二端口B1、电容C i_1的另一个端口、第二开关管S dn_1的另一个端口、第一二极管D up_1的负极、电容C 0_1的另一个端口和基本谐振单元的第三端口C1相连。
上面介绍了本申请提出的基本谐振单元，下面介绍本申请提出的DC/DC变换器。
本申请提出的DC/DC变换器可以包括一个或多个本申请提出的基本谐振单元。例如可以包括一个或多个如图2至图5中任意图所示的基本谐振单元。DC/DC变换器包括多个基本谐振单元时，这多个基本谐振单元的结构可以相同，也可以不相同。
本申请的DC/DC变换器包括多个基本谐振单元时，这多个基本谐振单元的连接方式不同时，DC/DC变换器的用途可以不同。例如，DC/DC变换器中的多个基本谐振单元在一些连接方式下，DC/DC变换器可以为升压DC/DC变换器；在另一些连接方式下，DC/DC变换器可以为降压DC/DC变换器。
本申请提出的用于降压的一种DC/DC变换器中，可以包含n个基本谐振单元，n为大于1的正整数，这n个基本谐振单元中至少一个基本谐振单元为前述图2至图5中任意图所示的基本谐振单元。
本申请的降压DC/DC变换器的一种示例性结构如图6所示。由图6可知，n个基本谐振单元中，第i个基本谐振单元的第一端口Ai与第i+1个基本谐振单元的第二端口Bi+1相连，每个基本谐振单元的第三端口(C1至Cn)、第一个基本谐振单元的第二端口B1均与该DC/DC变换器的电源输出端V out相连，每个基本谐振单元的第四端口(D1至Dn)与DC/DC变换器的接地端GND相连，第n个基本谐振单元的第一端口An与DC/DC变换器的电源输入端V in相连，电源输出端V out用于连接负载R load，i为小于n的正整数。该DC/DC变换器为可以实现输出增益为(n+1):1的降压DC/DC 变换器。
可选的，这n个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元可以共用同一个第二电容单元，例如，所有基本谐振单元共用第n个基本谐振单元的第二电容单元。
可选的，这n个基本谐振单元中每个基本谐振单元的第二电容单元与其他任意一个谐振单元中的第二电容单元不是同一个电容单元。
下面以DC/DC变换器包含3个基本谐振单元，且每个基本谐振单元为如图3所示的基本谐振单元为例，结合图7，对本申请一个实施例的DC/DC变换器的结构进行介绍。
如图7所示，3个基本谐振单元中，第1个基本谐振单元的第一端口A 1与3个基本谐振单元中的第2个基本谐振单元的第二端口B 2相连，每个基本谐振单元的第三端口C 3、C 2、C 1、第一个基本谐振单元的第二端口B 1均与该DC/DC变换器的电源输出端V out相连，这3个基本谐振单元的第四端口D 3、D 2、D 1与DC/DC变换器的接地端GND相连；第3个基本谐振单元的第一端口A 3与DC/DC变换器的电源输入端Vin相连，电源输出端V out用于连接负载R Load。其中，3个基本谐振单元共用第3个基本谐振单元的第二电容单元C 0。
在该示例中，第一开关管S up_1、S up_2、S up_3和第二开关管S dn_1、S dn_2、S dn_3可以选用金属氧化层半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)。
S up_1与S dn_1的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_1与S dn_1的互补，S up_2与S dn_2的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_2与S dn_2的互补，S up_3与S dn_3的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_3与S dn_3的互补，方波的频率约为谐振腔的固有频率的情况下，该DC/DC变换器可以实现4:1的输出增益，其中，谐振腔的固有频率为
输入直流电压Vin为400伏特，输出负载R Load为纯电阻负载时，图7所示的DC/DC变换器的输入电压和输出电压的示意图如图8所示。图8中上部的图中，横坐标为时间，时间单位为秒，纵坐标为输入电压，电压单位为伏特；图8下部的图中，横坐标也为时间，时间单位也为秒，纵坐标为输出电压，单位为伏特。
由图8可以看出，随着时间的变化，以0.20s到0.40s为例，在输入直流电压V in的电压为400伏特时，电源输出端V out的电压为100伏特，即可以实现4:1的输出增益。
图7所示的DC/DC变换器中的第一个基本谐振单元的两个开关管的驱动信号、谐振电容的电流和谐振电感的电压随时间的变化示意图如图9所示。
由图9可以看出，第一个基本谐振单元的第一开关管S up_1和第二开关管S dn_1的驱动波形为占空比约为50％的方波，此时得到谐振电感L r_1电流和谐振电容C r_1电压的波形为正弦波，因此可以理解为，在第1个基本谐振单元中第一开关管S up_1和第二开关管S dn_1实现了软开关，即开关损耗极小。图7所示的直流变压器中其他谐振单元的电量波形基本和第一个基本谐振单元的相同，此处不再赘述。
从该示例中的仿真结果可以看出，包含3个基本谐振单元的DC/DC变换器实现了 直流变换的功能，即降压功能，且开关管损耗很小，具有转换效率高的特点。
本申请提出的用于升压的DC/DC变换器中，可以包含m个基本谐振单元，m为大于1的整数，这m个基本谐振单元中至少一个基本谐振单元为前述图2至图5中任意图所示的基本谐振单元。
本申请的升压DC/DC变换器的一种示例性结构如图10所示。由图10可知，m个基本谐振单元中，第j个基本谐振单元的第二端口Bj与第j+1个基本谐振单元的第一端口Aj+1相连，每个基本谐振单元的第四端口(D1至Dm)、第一个基本谐振单元的第一端口A1与DC/DC变换器的电源输入端V in相连，每个基本谐振单元的第三端口(C1至Cm)与DC/DC变换器的接地端GND相连，第m个基本谐振单元的第二端口Bm与DC/DC变换器的电源输出端V out相连，电源输出端V out用于连接负载R load。
可选的，m个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元共用同一个第二电容单元。例如，所有基本谐振单元共用第n个基本谐振单元的第二电容单元。
可选的，这n个基本谐振单元中每个基本谐振单元的第二电容单元与其他任意一个谐振单元中的第二电容单元不是同一个电容单元。
下面以用于升压的DC/DC变换器包含3个如图3所示的基本谐振单元为例进行介绍。如图11所示，3个基本谐振单元中，第1个基本谐振单元的第二端口B1与3个基本谐振单元中的第2个基本谐振单元的第一端口A2相连，每个基本谐振单元的第四端口D3、D2、D1、3个基本谐振单元中的第一个基本谐振单元的第一端口A1与DC/DC变换器的电源输入端V in相连，3个基本谐振单元的第三端口C3、C2、C1与DC/DC变换器的接地端GND相连；并且，第3个基本谐振单元的第二端口B3与DC/DC变换器的电源输出端V out相连，电源输出端V out用于连接负载R load。其中，3个基本谐振单元共用第3个基本谐振单元的第二电容单元C 0。
作为一种示例，第一开关管S up_1、S up_2、S up_3和第二开关管S dn_1、S dn_2、S dn_3可以选用MOSFET。
S up_1与S dn_1的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_1与S dn_1的互补，S up_2与S dn_2的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_2与S dn_2的互补，S up_3与S dn_3的驱动信号分别为占空比约为50％的方波，实现S up_3与S dn_3的互补，方波的频率约为谐振腔的固有频率的情况下，该DC/DC变换器可以实现1:4的输出增益，其中，谐振腔的固有频率为
输入直流电压V in为400伏特，输出负载R load为纯电阻负载时，图11所示的DC/DC变换器的输入电压和输出电压的示意图如图12所示。图12中上部的图中，横坐标为时间，时间单位为秒，纵坐标为输入电压，电压单位为伏特；图12下部的图中，横坐标也为时间，时间单位也为秒，纵坐标为输出电压，单位为伏特。
由图12可知，随着时间的变化，以0.20s到0.40s为例，在输入直流电压V in的电压为400伏特时，电源输出端V out的电压为1600伏特，实现了1:4的输出增益。
图11所示的DC/DC变换器中的第一个基本谐振单元的两个开关管的驱动信号、谐振电容的电流和谐振电感的电压随时间的变化示意图如图13所示。
由图13可以看出，第1个基本谐振单元的第一开关管S up_1和第二开关管S dn_1的 驱动波形为占空比约为50％的方波，此时得到谐振电感L r_1电流和谐振电容C r_1电压的波形为正弦波，因此可以理解为，在第1个基本谐振单元中第一开关管S up_1和第二开关管S dn_1实现了软开关，即开关损耗极小。同理，其他谐振单元的电量波形基本和第1个基本谐振单元的一样。
从该示例中的仿真结果可以看出，包含3个基本谐振单元的DC/DC变换器实现了直流变换的功能即升压功能，且开关管损耗很小，具有转换效率高的特点。
本申请一个实施例提供的DC/DC变换器的驱动方法的流程示意图如图14所示。上述实施例中任意一个基本谐振单元可以使用图14所示的驱动方法。由图14所知，该驱动方法可以包括S1401和S1402。
S1401，向基本谐振单元的第一开关管的第三个端口输出第一驱动信号，第一驱动信号用于控制第一开关管导通或关断。
作为一种示例，第一驱动信号可以为方波信号。可选的，第一驱动信号的占空比约为50％。
以图3所示的基本谐振单元为例进行描述，当第一开关管S up_1的第三个端口接收到第一驱动信号时，第一开关管S up_1导通，第二开关管S dn_1关断，此时，第一电感L r_1和第一电容C r_1充电储能。
S1402，向基本谐振单元的第二开关管的第三个端口输出第二驱动信号，第二驱动信号用于控制所述第二开关管导通或关断。
作为一种示例，第一驱动信号可以为方波信号。可选的，所述第二驱动信号的占空比为50％。可选的，第一驱动信号和第二驱动信号互补。
以图3所示的基本谐振单元为例进行描述，当第一开关管S up_1的第三个端口接收到第二驱动信号时，第一开关管S up_1关断，第二开关管S dn_1导通，此时，第一电感L r_1和第一电容C r_1向负载释放储存能量。当整个电路达到平衡时，就可以实现能量传输。
可选的，第一驱动信号和第二驱动信号的频率与基本谐振单元的固有频率的差值小于或等于预设阈值。该驱动方法也可以应用于DC/DC变换器中，当第一开关管S up_1导通时，第二开关管S dn_1关断；当第二开关管S dn_1导通时，第一开关管S up_1关断；两个开关管不能同时导通，由此可以实现直流到直流的转换。
可以理解的是，DC/DC变换器中包括多个基本谐振单元时，这多个基本谐振单元的固有频率可以相同，也可以不同。无论多个基本谐振单元的固有频率是否相同，其中每个基本谐振单元的驱动信号的频率与该基本谐振单元的固有频率之间的差值小于或等于预设阈值。
本申请的DC/DC变换器可以应用到需要直流电变直流电功能的设备中，例如具体应用在服务器电源领域的直流转直流DC/DC环节，光伏逆变器领域的DC/DC环节，不间断电源领域的DC/DC环节。
图15为本申请一个实施例提供的DC/DC变换器的驱动装置结构示意图。图15所示的装置可以用于执行前述任意一个实施例所述的方法。如图15所示，本实施例的装置1500可以包括：输出模块1501。
在一种示例中，装置1500可以用于执行图14所述的方法。例如，输出模块1501 可以用于执行S1401和S1402。
或者，以上各个模块的部分或全部也可以通过集成电路的形式内嵌于电子设备的某一个芯片上来实现。且它们可以单独实现，也可以集成在一起。即以上这些单元可以被配置成一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)，或，一个或多个微处理器(digital singnal processor，DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)等。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
本申请说明书和权利要求书及附图说明中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请的实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (13)

  1. 一种直流至直流变换器，其特征在于，所述直流至直流变换器包括第一基本谐振单元，所述第一基本谐振单元具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一基本谐振单元包括第一谐振电路、第二谐振电路、第一电容单元和第二电容单元；
    所述第一电容单元的第一端口、所述第一谐振电路的第一端口和所述第一基本谐振单元的第一端口相连，所述第一电容单元的第二端口、所述第二谐振电路的第二端口和所述第一基本谐振单元的第二端口相连，所述第二电容单元的第一端口、所述第二谐振电路和所述第一基本谐振单元的第三端口相连，所述第二电容单元的第二端口、所述第二谐振电路的第二端口和所述第一基本谐振单元的第四端口相连；
    所述第一谐振电路包括第一开关单元、第一二极管单元和谐振子电路，所述谐振子电路包括第一电容和第一电感，所述第二谐振电路包括第二开关单元、第二二极管单元和所述谐振子电路，所述第一电容单元和第二电容单元分别包括至少一个电容，所述第一开关单元和所述第二开关单元分别包括至少一个开关管，所述第一二极管单元和所述第二二极管单元分别包括至少一个二极管；
    所述第一基本谐振单元用于：输入电源、所述第一开关管单元连通且所述第二开关管单元断开的状态下，所述第一二极管单元导通，所述第二二极管单元关断，所述第一谐振电路与所述第一电容单元之间形成谐振回路；
    所述第一基本谐振单元还用于：输入电源、所述第二开关管单元连通且所述第一开关管单元断开的状态下，所述第二二极管单元导通，所述第一二极管单元关断，且所述第二谐振电路和所述第二电容单元形成谐振回路。
  2. 如权利要求1所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述第一电容单元、所述第一开关管单元、所述谐振子电路和所述第一二极管单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第一二极管单元的正极相连；
    所述第二电容单元、所述第二二极管单元、所述谐振子电路和所述第二开关管单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第二二极管单元中的二极管的负极相连。
  3. 如权利要求1所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述第一开关管单元、所述第一电容、所述第一二极管单元、所述第一电感和所述第一电容单元依次串联，并且，所述第一电容与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连；
    所述第二开关管单元与所述第一开关管单元和所述第一电感依次串联；
    所述第二电容单元、所述第二二极管单元、所述第一二极管单元和所述第一电感依次串联，并且，所述第二二极管单元中的二极管的负极与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连。
  4. 如权利要求1所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述第一开关管单元、所述谐振子电路、所述第一二极管单元和所述第一电容单元依次串联，并且，所述谐振子电路与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连；
    所述第二开关管单元与所述第一开关管单元和所述第一电容电源依次串联；
    所述第二电容单元、所述第二二极管单元和所述第一二极管单元依次串联，并且， 所述第二二极管单元中的二极管的负极与所述第一二极管单元中的二极管的正极相连。
  5. 如权利要求1至4中任一项所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述第一基本谐振单元为所述直流至直流变换器包含的n个基本谐振单元中的一个，所述n个基本谐振单元的结构相同，n为大于1的整数；
    所述n个基本谐振单元中，第i个基本谐振单元的第一端口与第i+1个基本谐振单元的第二端口相连，每个基本谐振单元的第三端口、第一个基本谐振单元的第二端口均与所述直流至直流变换器的电源输出端口相连，每个基本谐振单元的第四端口均与所述直流至直流变换器的接地端口相连，第n个基本谐振单元的第一端口与所述直流至直流变换器的电源输入端口相连，i为小于n的正整数。
  6. 如权利要求5所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述n个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元中的第二电容单元为同一个电容单元。
  7. 如权利要求1至4中任一项所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述第一基本谐振单元为所述直流至直流变换器包含的m个基本谐振单元中的一个，所述m个基本谐振单元的结构相同，m为大于1的整数；
    所述m个基本谐振单元中，第j个基本谐振单元的第二端口与第j+1个基本谐振单元的第一端口相连，每个基本谐振单元的第四端口、第一个基本谐振单元的第一端口均与所述直流至直流变换器的电源输入端口相连，每个基本谐振单元的第三端口均与所述直流至直流变换器的接地端口相连，第n个基本谐振单元的第二端口与所述直流至直流变换器的电源输出端口相连，j为小于m的正整数。
  8. 如权利要求7所述的直流至直流变换器，其特征在于，所述m个基本谐振单元中至少两个基本谐振单元中的第二电容单元为同一个电容单元。
  9. 一种直流至直流变换器的驱动方法，其特征在于，所述直流至直流变换器为如权利要求1至8中任一项所述的直流至直流变换器，所述方法包括：
    向所述第一开关管的第三个端口输出第一驱动信号，所述第一驱动信号用于控制所述第一开关管导通；
    向所述第二开关管的第三个端口输出第二驱动信号，所述第二驱动信号用于控制所述第二开关管导通，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比不重叠。
  10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比与50％的差值小于或等于第一阈值。
  11. 根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号互补。
  12. 根据权利要求9至11所述的方法，其特征在于，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的频率与所述第一基本谐振单元的固有频率的差值小于或等于第二阈值。
  13. 一种直流至直流变换系统，其特征在于，所述系统包括控制器和如权利要求1至8中任一项所述的直流至直流变换器，所述控制器与所述直流至直流变换器连接，所述控制器用于执行权利要求9至12中任一项所述的方法。
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