CN117498680A - 一种开关电容变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电容变换器，属于高变换效率高功率密度高电压变比电力电子技术领域，该开关电容变换器将电压变比为4:1的Dickson开关电容变换器与5:1的Fibonacci开关电容变换器级联，构成了一种新型的电压变比为8:1的开关电容变换器。其中，4:1的Dickson开关电容变换器包含10个开关管、3个飞跨电容；5:1的Fibonacci开关电容变换器包含9个开关管、3个飞跨电容以及1个输出电容和1个负载电阻。具有高电压变比，高变换效率的有益效果。

Description

一种开关电容变换器

技术领域

本发明属于高变换效率高功率密度高电压变比电力电子技术领域，具体涉及一种开关电容变换器。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的快速发展，小型化、高频化和高效率已经成为直流开关电源设计的必然要求。开关电容类变换器因其体积小和能量密度高，在中小功率场合得到了广泛的应用。

随着信息技术和半导体技术的迅速发展，数据中心的市场需求和应用规模日益增长，其巨大的能量消耗逐渐成为不可被忽视的严峻问题。数据中心内各类设备要求的供电电压不同，其中CPU等负载所需的电源电压甚至低于1V，在48V直流电压转换为1V直流电压的应用场景下，需要一种高变比、高效率的开关电容变换器。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关电容变换器，其变比为8:1，具有高电压变比、高变换效率的特点。

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种开关电容变换器，包括：输入直流电压源V_in、输出电容C_o、负载R以及依次级联的4:1的Dickson开关电容变换器、5:1的Fibonacci开关电容变换器；所述Dickson开关电容变换器包括开关管Q_{a_1}、开关管Q_{a_2}、开关管Q_{a_3}、开关管Q_{a_4}、开关管Q_{b_1}、开关管Q_{b_2}、开关管Q_{b_3}、开关管Q_{c_1}、开关管Q_{c_2}、开关管Q_{c_3}以及飞跨电容C_flya、飞跨电容C_flyb、飞跨电容C_flyc，所述Fibonacci模块包括开关管Q_{d_1}、开关管Q_{d_2}、开关管Q_{d_3}、开关管Q_{e_1}、开关管Q_{e_2}、开关管Q_{e_3}、开关管Q_{f_1}、开关管Q_{f_2}、开关管Q_{f_3}以及飞跨电容C_flyd、飞跨电容C_flye以及飞跨电容C_flyf；所述输入直流电压源V_in负极与地连接，输入直流电压源V_in正极与开关管Q_{a_4}的漏极相连，开关管Q_{a_4}的源极、开关管Q_{a_3}的漏极和飞跨电容C_flya的一端相连，开关管Q_{a_2}的源极、飞跨电容C_flya的另一端和开关管Q_{a_1}的漏极相连，开关管Q_{a_1}的源极与地相连，开关管Q_{a_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{a_3}的源极、开关管Q_{b_3}的漏极和飞跨电容C_flyb的一端相连，开关管Q_{b_2}的源极、飞跨电容C_flyb的另一端和开关管Q_{b_1}的漏极相连，开关管Q_{b_1}的源极与地相连，开关管Q_{b_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{b_3}的源极、开关管Q_{c_3}的漏极和飞跨电容C_flyc的一端相连，开关管Q_{c_2}的源极、飞跨电容C_flyc的另一端和开关管Q_{c_1}的漏极相连，开关管Q_{c_1}的源极与地相连，开关管Q_{c_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{c_3}的源极、开关管Q_{d_3}的漏极和飞跨电容C_flyd的一端相连，开关管Q_{d_2}的源极、飞跨电容C_flyd的另一端和开关管Q_{d_1}的漏极相连，开关管Q_{d_1}的源极与地相连，开关管Q_{d_2}的漏极与开关管Q_{d_3}的源极相连，开关管Q_{d_3}的源极、开关管Q_{e_3}的漏极和飞跨电容C_flye的一端相连，开关管Q_{e_2}的源极、飞跨电容C_flye的另一端和开关管Q_{e_1}的漏极相连，开关管Q_{e_1}的源极与地相连，开关管Q_{e_2}的漏极和开关管Q_{e_3}的源极相连，开关管Q_{e_3}的源极、开关管Q_{f_3}的漏极和飞跨电容C_flyf的一端相连，开关管Q_{f_2}的源极、飞跨电容C_flyf的另一端和开关管Q_{f_1}的漏极相连，开关管Q_{f_1}的源极与地相连，开关管Q_{f_2}的漏极、开关管Q_{f_3}的源极和输出电容C_o的一端相连。

进一步的，本发明结合了现有的电压变比为4:1的Dickson开关电容变换器与5:1的Fibonacci开关电容变换器，提出了一种新型的开关电容变换器，其电压变比为8:1。

与现有技术相比，本发明具有高电压变比、高变换效率的特点。

附图说明

图1是本发明一种开关电容变换器的电路拓扑结构示意图。

图2是图1的一种开关电容变换器拓扑中开关管Q_{a_2}、开关管Q_{a_4}、开关管Q_{b_1}、开关管Q_{b_3}、开关管Q_{c_2}、开关管Q_{d_1}、开关管Q_{d_3}、开关管Q_{e_2}、开关管Q_{f_1}、开关管Q_{f_3}导通，其余开关管关断情况下，所得电路等效示意图。

图3是图1的一种开关电容变换器拓扑中开关管Q_{a_1}、开关管Q_{a_3}、开关管Q_{b_2}、开关管Q_{c_1}、开关管Q_{c_3}、开关管Q_{d_2}、开关管Q_{e_3}、开关管Q_{f_2}导通，其余开关管关断情况下，所得电路等效示意图。

具体实施方式

本发明的一种开关电容变换器，开关管Q_{a_2}、Q_{a_4}、Q_{b_1}、Q_{b_3}、Q_{c_2}、Q_{d_1}、Q_{d_3}、Q_{e_2}、Q_{f_1}、Q_{f_3}为一组，同时导通或关断。开关管Q_{a_1}、Q_{a_3}、Q_{b_2}、Q_{c_1}、Q_{c_3}、Q_{d_2}、Q_{e_3}、Q_{f_2}为另一组，同时导通或关断。在一个完整的开关周期中，分为两种工作模态。

模态一：开关管Q_{a_2}、Q_{a_4}、Q_{b_1}、Q_{b_3}、Q_{c_2}、Q_{d_1}、Q_{d_3}、Q_{e_2}、Q_{f_1}、Q_{f_3}导通，其余开关管关断，等效电路如图2所示，可知

V_Cflya＝V_in-V_o

V_Cflyf＝V_o

V_Cflyb＝V_Cflyc+V_o

模态二：开关管Q_{a_1}、Q_{a_3}、Q_{b_2}、Q_{c_1}、Q_{c_3}、Q_{d_2}、Q_{e_3}、Q_{f_2}导通，其余开关管关断，等效电路如图3所示，可知

V_Cflya＝V_Cflyb+V_o

V_Cflyc＝V_Cflyd+V_Cflye

V_Cflye＝V_Cflyf+V_o

上述式子中，V_Cflya、V_Cflyb、V_Cflyc、V_Cflyd、V_Cflye、V_Cflyf分别是飞跨电容C_flya、C_flyb、C_flyc、C_flyd、C_flye、C_flyf的平均电压，解方程组可得V_o＝V_in/8，V_Cflya＝7V_in/8，V_Cflyb＝3V_in/4，V_Cflyc＝5V_in/8，V_Cflyd＝3V_in/8，V_Cflye＝V_in/4，V_Cflyf＝V_in/8。

Claims (2)

1.一种开关电容变换器，其特征在于：包括输入直流电压源V_in、输出电容C_o、负载R以及依次级联的电压变比为4:1的Dickson开关电容变换器、5:1的Fibonacci开关电容变换器；所述Dickson开关电容变换器包括开关管Q_{a_1}、开关管Q_{a_2}、开关管Q_{a_3}、开关管Q_{a_4}、开关管Q_{b_1}、开关管Q_{b_2}、开关管Q_{b_3}、开关管Q_{c_1}、开关管Q_{c_2}、开关管Q_{c_3}以及飞跨电容C_flya、飞跨电容C_flyb、飞跨电容C_flyc，所述Fibonacci开关电容变换器包括开关管Q_{d_1}、开关管Q_{d_2}、开关管Q_{d_3}、开关管Q_{e_1}、开关管Q_{e_2}、开关管Q_{e_3}、开关管Q_{f_1}、开关管Q_{f_2}、开关管Q_{f_3}以及飞跨电容C_flyd、飞跨电容C_flye以及飞跨电容C_flyf；所述输入直流电压源V_in负极与地连接，输入直流电压源V_in正极与开关管Q_{a_4}的漏极相连，开关管Q_{a_4}的源极、开关管Q_{a_3}的漏极和飞跨电容C_flya的一端相连，开关管Q_{a_2}的源极、飞跨电容C_flya的另一端和开关管Q_{a_1}的漏极相连，开关管Q_{a_1}的源极与地相连，开关管Q_{a_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{a_3}的源极、开关管Q_{b_3}的漏极和飞跨电容C_flyb的一端相连，开关管Q_{b_2}的源极、飞跨电容C_flyb的另一端和开关管Q_{b_1}的漏极相连，开关管Q_{b_1}的源极与地相连，开关管Q_{b_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{b_3}的源极、开关管Q_{c_3}的漏极和飞跨电容C_flyc的一端相连，开关管Q_{c_2}的源极、飞跨电容C_flyc的另一端和开关管Q_{c_1}的漏极相连，开关管Q_{c_1}的源极与地相连，开关管Q_{c_2}的漏极和输出电容C_o的一端相连，开关管Q_{c_3}的源极、开关管Q_{d_3}的漏极和飞跨电容C_flyd的一端相连，开关管Q_{d_2}的源极、飞跨电容C_flyd的另一端和开关管Q_{d_1}的漏极相连，开关管Q_{d_1}的源极与地相连，开关管Q_{d_2}的漏极与开关管Q_{d_3}的源极相连，开关管Q_{d_3}的源极、开关管Q_{e_3}的漏极和飞跨电容C_flye的一端相连，开关管Q_{e_2}的源极、飞跨电容C_flye的另一端和开关管Q_{e_1}的漏极相连，开关管Q_{e_1}的源极与地相连，开关管Q_{e_2}的漏极和开关管Q_{e_3}的源极相连，开关管Q_{e_3}的源极、开关管Q_{f_3}的漏极和飞跨电容C_flyf的一端相连，开关管Q_{f_2}的源极、飞跨电容C_flyf的另一端和开关管Q_{f_1}的漏极相连，开关管Q_{f_1}的源极与地相连，开关管Q_{f_2}的漏极、开关管Q_{f_3}的源极和输出电容C_o的一端相连。

2.根据权利要求1所述的开关电容变换器，其特征在于，所述一种开关电容变换器结合了电压变比为4:1的Dickson开关电容变换器与5:1的Fibonacci开关电容变换器，其电压变比为8:1。