CN204538976U - 实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器。主要由多个基本单元电路依次级联构成：每个基本单元电路包括三个电容和四组依次串联的功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管，任意相邻两个功率开关组串联后的两端均并联有电容；级联方式为由下一级基本单元电路中四组功率开关组串联后的两端并联到上一级基本单元电路中任一电容的两端。本实用新型采用级联方式实现了1/2n变比的不同档位的电压输出，可应用于其他固定档位调速的设计中；并仅以电容为储能元件，降低了变换器的体积，等效内阻小且随着基本单元电路级数的增加基本不发生改变、功率密度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及了一种无磁性元件变换器，尤其是涉及了电力电子变换的技术领域的一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器。
背景技术
传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点。同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。
电力电子系统集成化的关键技术之一是磁性元件(电感或变压器)的小型化和微型化，在软开关技术下提高开关频率无疑是一个十分有效的措施，这样电路中电感和变压器的体积都可以缩小，整个电路的性能都得到提升；然而，当开关频率达到400KHz-500KHz左右时，主开关与磁性元件的损耗增加，转换效率下降，电磁噪声加大，用于抑制噪声的滤波电容的体积随着增大，再提高开关频率，只能带来负面的影响，因此，通过提高开关频率的方式减小电源体积己经没有余地。
减少磁性元件的基本思路是发展无感变换器，开关电容型AC-AC变换器就是一种典型的无感变换器，它是将电容和一定数量的功率开关组合起来，电容的充放电通过对功率开关的控制实现，由电容和功率开关的组合实现许多不同变比的电路。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，深入研究开关电容型AC-AC变换器原理，本实用新型的目的在于提供一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，设计了结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器来取代传统的变压器，并且同时可以达到实现1/2n变比的不同档位的电压输出，可应用于其他固定档位调速的设计中。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型主要由多个基本单元电路依次级联构成：每个基本单元电路包括三个电容和四组依次串联的功率开关组，四组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组和第四功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；三个电容分别为第一电容、第二电容和第三电容，第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端；级联方式为由下一级基本单元电路中四组功率开关组串联后的两端并联到上一级基本单元电路中任一电容的两端，由此形成1/2n的变比的开关电容型AC-AC变换器。
所述第一级基本单元电路中四组功率开关组依次串联后的两端作为电源输入端，最后一级基本单元电路中任一电容两端作为电源输出端。
所述的基本单元电路的数量为N个，最后一级基本单元电路电源输出端的电压为电源输入端电压的1/2n。
所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接。
所述的功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
基于变比为1/2的原理及电路结构，为了实现更多不同的变比，得到更多全新的电路拓扑结构，本实用新型提出了将变比为1/2的基本单元电路级联的新思路。将基本单元电路级联，打破了原有的基于电容的AC-AC变换器纵向拓展的固有思路，具有极大的创新性和研究价值。
本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本实用新型仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，每一级基本单元电路中的第一电容、第二电容和第三电容两端的电压均为该级基本单元电路输入端电压的1/2；通过接入基本单元电路的级数的改变，实现逐级降压，以此控制对输出电压不同变比的变级选择。
本实用新型由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。随着电路中基本单元电路级数的增加，电路的等效内阻基本保持不变。与此同时降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度。
附图说明
图1是本实用新型变比为1/2n的N级电路拓扑图。
图2是本实用新型的基本单元电路的电路拓扑图。
图3是本实用新型中功率开关管接收驱动的PWM信号波形图。
图1和图2中：ui、输入电压，RL、负载电阻，uo、输出电压。
图3中：D为PWM信号的占空比，TS为PWM信号周期。
图4：是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，进行三分压后，实现1/2变比的实验结果。
图5：是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到两级基本单元电路，进行三分压后，实现1/4变比的实验结果。
图6：是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到三级基本单元电路，进行三分压后，实现1/8变比的实验结果。
图7：是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到四级基本单元电路，进行三分压后，实现1/16变比的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实用新型主要由多个基本单元电路依次级联构成：每个基本单元电路包括三个电容和四组依次串联的功率开关组，如图2所示，四组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组和第四功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；三个电容分别为第一电容、第二电容和第三电容，第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端；级联方式为由下一个基本单元电路中四组功率开关组串联后的两端连接到上一个基本单元电路中任一电容的两端，由此形成1/2n的变比的开关电容型AC-AC变换器。
第一级基本单元电路中四组功率开关组依次串联后的两端作为电源输入端，最后一级基本单元电路中任一电容两端作为电源输出端。
基本单元电路的数量为N个，最后一级基本单元电路电源输出端的电压为电源输入端电压的1/2n。
变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接。
功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
如图2所示，对于基本单元电路：第一功率开关组S1包括源极相互串联的功率开关管M1和功率开关管M2，第二功率开关组S2包括源极相互串联的功率开关管M3和功率开关管M4，第三功率开关组S3包括源极相互串联的功率开关管M5和功率开关管M6，第四功率开关组S4包括源极相互串联的功率开关管M7和功率开关管M8。
如图2所示，三个电容分别为电容C1、电容C2和电容C3。基本单元电路中的电容C1并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，电容C2并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，电容C3并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端。
如图1所示，对于第一级基本单元电路：第一功率开关组S1包括源极相互串联的功率开关管M1和功率开关管M2，第二功率开关组S2包括源极相互串联的功率开关管M3和功率开关管M4，第三功率开关组S3包括源极相互串联的功率开关管M5和功率开关管M6，第四功率开关组S4包括源极相互串联的功率开关管M7和功率开关管M8；对于第二级基本单元电路：第一功率开关组S5包括源极相互串联的功率开关管M9和功率开关管M10，第二功率开关组S6包括源极相互串联的功率开关管M11和功率开关管M12，第三功率开关组S7包括源极相互串联的功率开关管M13和功率开关管M14，第四功率开关组S8包括源极相互串联的功率开关管M15和功率开关管M16；以此类推，对于第N级基本单元电路：第一功率开关组S4n-3包括源极相互串联的功率开关管M8n-7和功率开关管M8n-6，第二功率开关组S4n-2包括源极相互串联的功率开关管M8n-5和功率开关管M8n-4，第三功率开关组S4n-1包括源极相互串联的功率开关管M8n-3和功率开关管M8n-2，第四功率开关组S4n包括源极相互串联的功率开关管M8n-1和功率开关管M8n。
如图1所示，第一级基本单元电路中三个电容分别为电容C1、电容C2和电容C3；第二级基本单元电路中三个电容分别为电容C4、电容C5和电容C6；以此类推，第N级基本单元电路中三个电容分别为电容C3n-2、电容C3n-1和电容C3n。
本实用新型由1-n级基本单元电路级联组成，随着基本单元电路级数的变化，此开关电容型AC-AC变换器的输出变比也随之变化，按级数的增加依次实现1/2至1/2n的变比变化。每当次级基本单元电路的输入端输入电压ui连接在前一级基本单元电路四组功率开关组依次连接后的两端，此时输出端连接在次级基本单元电路中任一电容两端，可以得到变换后的输出电压uo为输入端电压ui的1/2；若再将下一级基本单元电路接入到次级基本单元电路中任一电容两端，此时输出端连接在此基本单元电路中任一电容两端，可以得到变换后的输出电压uo为输入端电压ui的1/4；以此类推，若将第N级基本单元电路接入到第N-1级基本单元电路中任一电容两端，此时输出端连接在第N级基本单元电路中任一电容两端，可以得到变换后的输出电压uo为输入端电压ui的1/2n；通过接入基本单元电路的级数的改变，实现逐级降压，以此控制对输出电压不同变比的变级选择。
每一组基本单元电路在接入到输入端后，基本单元电路的等效电路由等效电阻和等效电容组成。其中等效电阻和等效电容的具体数值，会随着所选取的功率开关管和电容的具体参数发生改变，但是等效电阻和等效电容的数值以及每级基本单元电路上产生的功率损耗均远远小于含有磁性元件的传统的开关电源AC-AC变换器。同时
每级基本单元电路中不含有磁性元件，仅由电容和功率开关管组成，与传统的开关电源相比，体积大大减小，重量大大减轻，提高了功率密度。
由于基本单元电路的等效电路由等效电阻和等效电容组成，且等效电容的值远远小于每当次级基本单元电路接入到前级基本单元电路的三个电容的任一电容两端时，此时前级任一电容两端的电压（即为次级基本单元电路的输入电压）记为ui，由于前级的任一电容都在持续不断的完成充放电的过程，可以被视为理想的电压源，故次级的基本单元电路的分压过程与前后级的基本单元电路之间是相互隔离且不受干扰的，经过每一级基本单元电路的分压过程，可以得到理想的1/2变比的均等分压，故在连接至第N级基本单元电路后，第N级基本单元电路中任一电容两端，均可以得到理想的1/2n变比的输出电压uo的。由于每一前级基本单元电路的三个电容的任一电容两端的电压均视为次级基本单元电路的理想的电压源，故可实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器的等效电容和等效电阻值均由第一级基本单元电路决定，随着电路中基本单元电路级数的增加可实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器的等效电容和等效电阻值也不会发生改变。
在每级基本单元电路中电容C3确保电容C1 和电容C2两端的电压平衡。在整个电压周期中，每级基本单元电路中各个电容两端的电压都等于该级基本单元电路输入电压的1/2。
驱动电路提供驱动各个功率开关管的PWM信号，控制功率开关管的导通与关断，使电路工作在不同的状态。由于一般功率开关管的导通电压为15V-20V，首先采用诸如SG3525的集成PWM控制芯片产生PWM信号，通过简单的驱动电路将集成PWM控制芯片产生的电压放大，以达到一般功率开关管的导通电压，以达到对功率开关管导通与关闭的控制。集成PWM控制芯片产生的PWM信号如图3所示，其中PWM信号周期(即功率开关管的开关周期0设为Ts，信号占空比为D。在一个周期内，当DTs 为正半周期信号时，（1-D）为负半周期信号，两个半周期交替进行。对于此实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，当DTs 为PWM信号正半周期信号时，假设对功率开关组S1 、S3 …S4n-3 、S4n-1进行导通控制，此时对功率开关组S2、S4…S4n-2、S4n进行关闭控制。当（1-D）Ts为正半周期信号时，假设对功率开关组S2、S4…S4n-2、S4n进行导通控制，此时对功率开关组S1 、S3 …S4n-3 、S4n-1进行关闭控制。为了保证电路及电路中个电容上的电压稳定与平衡，通常采用的占空比为0.5。
本实用新型的具体实施例和工作过程如下：
因此在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，在一个开关周期中，变换器有两种具体工作状态，以输入电压正半周期为例，工作状态描述如下：
第一个状态：第一级基本单元电路的功率开关组S1、S3，第二级基本单元电路的功率开关组S5、S7，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-3、S4n-1闭合；第一级基本单元电路的功率开关组S2、S4，第二级基本单元电路的功率开关组S6、S8，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-2、S4n断开。
在这种状态下，以第一级基本单元电路为例首先，电容C1和电容C2放电，电容C3充电，直到电流减小为零。电容C1和电容C2开始充电，电容C3放电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C3通过与电容C1和电容C2不同的充放电过程，保证了电容C1和电容C2两端电压的平衡。电能由输入电压ui传输给电路，电容C1、电容C2和电容C3电压时刻相同，均等于输入电压ui的1/2。以此类推，每一级基本单元电路均有着相同的充放电过程。这个状态结束时，第一级基本单元电路的功率开关组S1、S3，第二级基本单元电路的功率开关组S5、S7，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-3、S4n-1断开；第一级基本单元电路的功率开关组S2、S4，第二级基本单元电路的功率开关组S6、S8，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-2、S4n闭合。
第二个状态：第一级基本单元电路的功率开关组S1、S3，第二级基本单元电路的功率开关组S5、S7，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-3、S4n-1断开；第一级基本单元电路的功率开关组S2、S4，第二级基本单元电路的功率开关组S6、S8，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-2、S4n闭合。首先，电路将电能传输给输入电压ui。在这种状态下，以第一级基本单元电路为例首先，电容C1和电容C2充电，电容C3放电，直到电流减小为零。电容C1和电容C2开始放电，电容C3充电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C3通过与电容C1和电容C2不同的充放电过程，保证了电容C1和电容C2两端电压的平衡。电能由输入电压ui传输给电路，电容C1、电容C2和电容C3电压时刻相同，均等于输入电压ui的1/2。以此类推，每一级基本单元电路均有着相同的充放电过程。这个状态结束时，第一级基本单元电路的功率开关组S1、S3，第二级基本单元电路的功率开关组S5、S7，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-3、S4n-1闭合；第一级基本单元电路的功率开关组S2、S4，第二级基本单元电路的功率开关组S6、S8，…第N级基本单元电路的功率开关组S4n-2、S4n断开。
第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。
在输入电压的负半周期，变换器有着相似的工作状态，只是电流的方向相反。
在整个工作状态中，各个功率开关管的工作频率均为100KHz。
具体实验结果：
如图4所示，是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压uo接入到第一级基本单元中任一电容两端的电压，将输入电压ui与输出电压uo进行三分压后，实现1/2变比的实验结果。
如图5所示，是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压uo接入到第二级基本单元中任一电容两端的电压，将输入电压ui与输出电压uo进行三分压后，实现1/4变比的实验结果。
如图6所示，是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压uo接入到第三级基本单元中任一电容两端的电压，将输入电压ui与输出电压uo进行三分压后，实现1/8变比的实验结果。
如图7所示，是输入电压ui与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压uo接入到第四级基本单元中任一电容两端的电压，将输入电压ui与输出电压uo进行三分压后，实现1/16变比的实验结果。
综上所述，本实用新型仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，通过控制电路结构中基本单元电路的级数，从而实现了可变级开关电容型AC-AC变换器1/2n的变比，同时降低了变换器的体积，提高了变换器的功率密度，减小了系统的等效内阻值。
由此可见，本实用新型提出了级联的新思路，将基本单元电路进行级联打破了原有的将AC-AC变换器纵向拓展的固有思路，具有突出显著的技术效果和研究价值。
上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1. 一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，其结构特征为：
主要由多个基本单元电路依次级联构成：每个基本单元电路包括三个电容和四组依次串联的功率开关组，四组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组和第四功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；三个电容分别为第一电容、第二电容和第三电容，第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端；级联方式为由下一级基本单元电路中四组功率开关组串联后的两端并联到上一级基本单元电路中任一电容的两端，由此形成1/2n的变比的开关电容型AC-AC变换器。
2. 根据权利要求1所述的一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述第一级基本单元电路中四组功率开关组依次串联后的两端作为电源输入端，最后一级基本单元电路中任一电容两端作为电源输出端。
3. 根据权利要求2所述的一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述的基本单元电路的数量为N个，最后一级基本单元电路电源输出端的电压为电源输入端电压的1/2n。
4. 根据权利要求1所述的一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接。
5. 根据权利要求1所述的一种实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，其特征在于：所述的功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。
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| CN104779808A (zh) * | 2015-04-26 | 2015-07-15 | 中国计量学院 | 实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器 |
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