WO2022236774A1 - 谐振开关电容变换器及供电系统 - Google Patents
谐振开关电容变换器及供电系统 Download PDFInfo
- Publication number
- WO2022236774A1 WO2022236774A1 PCT/CN2021/093604 CN2021093604W WO2022236774A1 WO 2022236774 A1 WO2022236774 A1 WO 2022236774A1 CN 2021093604 W CN2021093604 W CN 2021093604W WO 2022236774 A1 WO2022236774 A1 WO 2022236774A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- switch
- resonant
- module
- control
- resonance
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 245
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 22
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 28
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 5
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 Si) Chemical compound 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/01—Resonant DC/DC converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
- H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Abstract
本申请提供了一种谐振开关电容变换器及供电系统，该谐振开关电容变换器包括控制模块、第一电容、多个谐振模块和串联的多个第二电容。其中，该第一电容与串联的多个第二电容串联，一个谐振模块可对应一个第二电容，谐振模块中包括第一开关单元、谐振单元以及第二开关单元。控制模块可连接各谐振模块，控制模块可用于基于目标输出电压增益控制各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到目标输出电压增益。在本申请中，可灵活控制谐振开关电容变换器的不同输出电压增益，适用性强。
Description
本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种谐振开关电容变换器及供电系统。
在功率变换领域中，将直流电转换为不同电压的直流电是一种常见的电力变换需求，因此学术研究领域和工程应用领域中出现了各种各样的电路拓扑(如谐振开关电容直流变换电路)以实现直流电变换功能。
目前，谐振开关电容直流变换电路通常会采用开环控制方式来实现特定输出电压增益的直流电变换功能，且谐振开关电容直流变换电路的输出电压增益只取决于其电路拓扑本身。在现有技术中，谐振开关电容直流变换电路可以由多个谐振腔(如3个谐振腔)构成，且谐振腔主要包括储能元件和开关器件，通过周期性的开通或者关断开关器件以在储能元件上产生谐振，从而实现特定输出电压增益(如4:1)的直流电变换功能。然而，谐振开关电容直流变换电路在实现其它输出电压增益的直流电变换功能时，只能通过增多或减少谐振腔来实现其它输出电压增益，改变了硬件电路拓扑，适用性弱。
发明内容
本申请提供一种谐振开关电容变换器及供电系统，可灵活控制谐振开关电容变换器的不同输出电压增益，适用性强。
第一方面，本申请提供了一种谐振开关电容变换器，该谐振开关电容变换器可包括控制模块、第一电容、多个谐振模块和串联的多个第二电容。其中，该第一电容与串联的多个第二电容串联，一个谐振模块可对应一个第二电容，谐振模块中包括第一开关单元、谐振单元以及第二开关单元，第一开关单元的第一连接端和第二开关单元的第一连接端可并联于第二电容的两端，第一开关单元的第二连接端和第二开关单元的第二连接端可并联于第一电容的两端，第一开关单元的第三连接端可通过谐振单元连接第二开关单元的第三连接端。上述控制模块可连接各谐振模块，控制模块可用于基于目标输出电压增益控制各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到目标输出电压增益。这里的目标输出电压增益可以为谐振开关电容变换器的输入电压和输出电压的比值，且该目标输出电压增益可大于或者等于1、小于或者等于谐振模块的数量加1，不同应用场景下谐振开关电容变换器的目标输出电压增益可以不同。在本申请中，可通过控制各谐振模块中各开关的导通或者关断来灵活调整谐振开关电容变换器的输出电压增益，从而避免了改变硬件电路拓扑，灵活性强，适用性强。
结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，上述第一开关单元中包括串联的第一开关和第二开关，可选的，该第一开关单元还可以包括其它器件(如开关器件)。其中，第一开关的一端可作为第一开关单元的第一连接端以连接第二电容的一端，第一开关的另一端可连接第二开关的一端，第二开关的另一端可作为第一开关单元的第二连接端以连接第一 电容的一端，第一开关和第二开关的串联连接点可作为第一开关单元的第三连接端。
结合第一方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，上述第二开关单元中包括串联的第三开关和第四开关，该第二开关单元还可以包括其它器件(如开关器件)。其中，第三开关的一端可作为第二开关单元的第一连接端以连接第二电容的另一端，第三开关的另一端可连接第四开关的一端，第四开关的另一端可作为第二开关单元的第二连接端以连接第一电容的另一端，第三开关和第四开关的串联连接点可作为第二开关单元的第三连接端。
可选的，第一开关、第二开关、第三开关或者第四开关可以为绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，可以简称为IGBT)，或者金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，可以简称为MOSFET)，或者继电器。其中，第一开关、第二开关、第三开关或者第四开关可以由硅半导体材料Si，或者第三代宽禁带半导体材料的碳化硅SiC，或者氮化镓GaN，或者金刚石，或者氧化锌ZnO，或者其它材料制成。
结合第一方面第二种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，上述控制模块可用于基于目标输出电压增益生成各谐振模块中各开关的驱动信号，并基于各开关的驱动信号控制各谐振模块中各开关的导通或者关断。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可基于不同的驱动信号来灵活控制各谐振模块中各开关的导通或者关断，进而实现谐振开关电容变换器的不同目标输出电压增益，适用性更强。
结合第一方面第二种可能的实施方式或者第一方面第三种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，上述谐振开关电容变换器中包括n个谐振模块和n个第二电容，n可以为大于1的正整数，上述n个第二电容可串联于谐振开关电容变换器的输入端和输出端之间，其中，连接输入端的第二电容为第1个第二电容，连接输出端的第二电容为第n个第二电容，n个谐振模块中第i个谐振模块可并联于n个第二电容中第i个第二电容的两端。上述控制模块可用于基于不同的目标输出电压增益控制各谐振模块中不同谐振模块中各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到不同的目标输出电压增益。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可在目标输出电压增益不同时灵活控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断，进而实现谐振开关电容变换器的不同输出电压增益，灵活性更强，适用性更强。
结合第一方面第四种可能的实施方式，在第五种可能的实施方式中，上述目标输出电压增益可以为1：1，上述控制模块可用于控制第1个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制第1个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时第1个谐振模块中的谐振单元上不产生谐振。上述控制模块还用于控制第2个谐振模块至第n个谐振模块中各谐振模块中的各开关关断，这时第2个谐振模块至第n个谐振模块不工作。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可灵活控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断以实现目标输出电压增益，适用性更强。
结合第一方面第四种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，上述目标输出电压增益为m:1，m为大于1且小于n的正整数。上述控制模块可用于控制第1个谐振模块至第m-1个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、各谐振模块中的第二开关 和第四开关关断，或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时第1个谐振模块至第m-1个谐振模块中的谐振单元上会产生谐振。控制模块还用于控制第m个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制第m个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时第m个谐振模块中的谐振单元上不产生谐振。上述控制模块还用于控制第m+1个谐振模块至第n个谐振模块中各谐振模块中的各开关关断，这时第m+1个谐振模块至第n个谐振模块不工作。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可灵活控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断以实现目标输出电压增益，适用性更强。
结合第一方面第四种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，在目标输出电压增益为n:1时，上述控制模块可用于控制第1个谐振模块至第n-1个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、各谐振模块中的第二开关和第四开关关断，或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时第1个谐振模块至第n-1个谐振模块中的谐振单元上会产生谐振。上述控制模块还用于控制第n个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制第n个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时第n个谐振模块中的谐振单元上不产生谐振。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可灵活控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断以实现目标输出电压增益，适用性更强。
结合第一方面第四种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，在目标输出电压增益为n+1:1时，控制模块可用于控制n个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、各谐振模块中的第二开关和第四开关关断，或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时n个谐振模块中的谐振单元上会产生谐振。在本申请提供的谐振开关电容变换器中，可灵活控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断以实现目标输出电压增益，适用性更强。
结合第一方面第二种可能的实施方式至第一方面第八种可能的实施方式中任一种，在第九种可能的实施方式中，上述谐振单元中包括串联的谐振电感和谐振电容，该谐振电感和谐振电容可组成串联谐振网络，可选的，该谐振单元还可以包括其它器件(如变压器)。其中，第一开关和第二开关的串联连接点可通过谐振电感和谐振电容连接第三开关和第四开关的串联连接点。
第二方面，本申请提供了一种供电系统，该供电系统中包括供电模块以及与供电模块连接的如上述第一方面至第一方面第九种可能的实施方式中任一种提供的谐振开关电容变换器。
结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，在光伏供电应用场景下，上述供电模块中包括至少一组光伏阵列，该光伏阵列可由多个光伏板串联组成。
结合第二方面或者第二方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，在纯储能供电应用场景下，上述供电模块中包括至少一个储能单元，该储能单元中包括储能电池或者超级电容。可选的，在光储混合供电应用场景下，上述供电模块中包括至少一组光伏阵列和至少一个储能单元。
在本申请中，可通过控制各谐振模块中各开关的导通或者关断来灵活调整谐振开关电 容变换器的目标输出电压增益，从而避免了改变硬件电路拓扑，灵活性强，适用性强。
图1是本申请提供的谐振开关电容变换器的应用场景示意图；
图2是本申请提供的谐振开关电容变换器的一结构示意图；
图3是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图；
图4是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图；
图5是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图；
图6是本申请提供的谐振开关电容变换器的又一结构示意图；
图7是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的一波形示意图；
图8是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的一波形示意图；
图9是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的另一波形示意图；
图10是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的另一波形示意图；
图11是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的另一波形示意图；
图12是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的另一波形示意图；
图13是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的又一波形示意图；
图14是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的又一波形示意图。
本申请提供的谐振开关电容变换器是一种直流(direct current，DC)/DC变换器，可适用于光伏发电设备或者风力发电设备等多种类型的发电设备，以及不同类型的用电设备(如电网、家用设备或者工业和商业用电设备)的供电，可应用于汽车领域以及微电网领域，可适配于宽电压范围输入或宽电压范围输出的直流电变换应用场景，例如，纯储能供电应用场景、光伏供电应用场景以及光储混合供电应用场景等不同应用场景。
请一并参见图1，图1是本申请提供的谐振开关电容变换器的应用场景示意图。本申请提供的谐振开关电容变换器中包括控制模块、第一电容、多个谐振模块和串联的多个第二电容。其中，上述控制模块可连接各谐振模块，该第一电容与串联的多个第二电容串联，一个谐振模块可对应一个第二电容，谐振模块中包括第一开关单元、谐振单元以及第二开关单元，第一开关单元的第一连接端和第二开关单元的第一连接端可并联于第二电容的两端，第一开关单元的第二连接端和第二开关单元的第二连接端可并联于第一电容的两端，第一开关单元的第三连接端可通过谐振单元连接第二开关单元的第三连接端。如图1所示，供电系统中包括供电模块以及与供电模块连接的谐振开关电容变换器，且该供电系统中还包括DC/交流(direct current，AC)变换器。在纯储能供电应用场景下，该供电模块中包括至少一个储能单元，该储能单元中包括储能电池(如锂离子电池和铅酸电池)或者超级电容(又名电化学电容)。为方便描述，本申请将以储能电池为例对本申请提供的供电系统进行说明，一个储能单元可由多个电池组串联组成，该电池组可以为一个电池包，一个电池包可由一个或者多个电池单元(电池单元的电压通常在2.5V到4.2V之间)串并联组 成，形成最小的能量存储和管理单元。
如图1所示，在供电系统对电网或者负载(如家用设备)供电的过程中，供电模块中的至少一个储能单元可向谐振开关电容变换器提供直流电压，这时，谐振开关电容变换器中的控制模块可基于DC/AC变换器所需求的目标输出电压增益控制各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到目标输出电压增益。可以理解，谐振开关电容变换器可基于供电模块提供的直流电压向DC/AC变换器输出其所需求的直流电压，这里供电模块提供的直流电压与DC/AC变换器所需求的直流电压之间的电压比值为上述目标输出电压增益。进一步地，DC/AC变换器可对谐振开关电容变换器输入的直流电压进行功率变换得到交流电压，并向电网或者家用设备输出交流电压，以对电网或者家用设备供电。
可选的，在一些可行的实施方式中，在光伏供电应用场景下，上述供电模块中包括至少一组光伏阵列，该光伏阵列可由多个光伏板串联组成，该光伏板也可以称为光伏组件或者太阳能电池板。在供电系统对电网或者负载(如上述家用设备)供电的过程中，谐振开关电容变换器可基于至少一组光伏阵列提供的直流电压向DC/AC变换器输出其所需求的直流电压，这里至少一组光伏阵列提供的直流电压与DC/AC变换器所需求的直流电压之间的电压比值为上述目标输出电压增益。进一步地，DC/AC变换器可对谐振开关电容变换器输入的直流电压进行功率变换得到交流电压，以对电网或者家用设备供电。在光储混合供电应用场景下，上述供电模块中包括至少一组光伏阵列以及至少一个储能单元，在供电系统对电网或者负载(如上述家用设备)供电的过程中，谐振开关电容变换器可基于至少一组光伏阵列和至少一个储能单元提供的直流电压向DC/AC变换器输出其所需求的直流电压，这里至少一组光伏阵列和至少一个储能单元提供的直流电压与DC/AC变换器所需求的直流电压之间的电压比值为上述目标输出电压增益。进一步地，DC/AC变换器可对谐振开关电容变换器输入的直流电压进行功率变换得到交流电压，以对电网或者家用设备供电。
下面将结合图2至图14对本申请提供的谐振开关电容变换器及其工作原理进行示例说明。
参见图2，图2是本申请提供的谐振开关电容变换器的一结构示意图。如图2所示，谐振开关电容变换器可包括多个谐振模块(如谐振模块10a至谐振模块10n)、控制模块20、第一电容(如第一电容Cn+1)、以及串联的多个第二电容(如第二电容C1至第二电容Cn)。其中，第一电容Cn+1与串联的第二电容C1至第二电容Cn串联，第二电容C1至第二电容Cn、以及第一电容Cn+1两端的电压为谐振开关电容变换器的输入电压(可以表示为Vin)，且第一电容Cn+1两端的电压同时为谐振开关电容变换器的输出电压(可以表示为Vout)。上述谐振模块10a至谐振模块10n中的一个谐振模块可对应第二电容C1至第二电容Cn中的一个第二电容，例如，谐振模块10a的输入端可并联于第二电容C1，且谐振模块10a的输出端可并联于第一电容Cn+1；……；谐振模块10n的输入端可并联于第二电容Cn，且谐振模块10n的输出端可并联于第一电容Cn+1。
在一些可行的实施方式中，上述谐振模块10a至谐振模块10n中的一个谐振模块可包括第一开关单元、谐振单元以及第二开关单元，其中，第一开关单元的第一连接端和第二开关单元的第一连接端可并联于第二电容的两端，第一开关单元的第二连接端和第二开关 单元的第二连接端可并联于第一电容的两端，第一开关单元的第三连接端可通过谐振单元连接第二开关单元的第三连接端，这里第一开关单元的第二连接端和第二开关单元的第二连接端可接地(ground，可以简称为GND)。可以理解，谐振模块可包括两个输入端(如第一输入端和第二输入端)和两个输出端(如第一输出端和第二输出端)，上述第一开关单元的第一连接端可以理解为谐振模块的第一输入端，第二开关单元的第一连接端可以理解为谐振模块的第二输入端，第一开关单元的第二连接端可以理解为谐振模块的第一输出端，第二开关单元的第二连接端可以理解为谐振模块的第二输出端。
为方便描述，下面将以谐振模块10a至谐振模块10n为例进行说明，谐振模块10a中包括第一开关单元100a、谐振单元101a以及第二开关单元102a，其中，第一开关单元100a的第一连接端和第二开关单元102a的第一连接端可并联于第二电容C1的两端，换言之，谐振模块10a的第一输入端和第二输入端可并联于第二电容C1的两端；第一开关单元100a的第二连接端和第二开关单元102a的第二连接端可并联于第一电容Cn+1的两端，换言之，谐振模块10a的第一输出端和第二输出端可并联于第一电容Cn+1的两端；第一开关单元100a的第三连接端可通过谐振单元101a连接第二开关单元102a的第三连接端。……，谐振模块10n中包括第一开关单元100n、谐振单元101n以及第二开关单元102n，其中，第一开关单元100n的第一连接端和第二开关单元102n的第一连接端可并联于第二电容Cn的两端，换言之，谐振模块10n的第一输入端和第二输入端可并联于第二电容Cn的两端；第一开关单元100n的第二连接端和第二开关单元102n的第二连接端可并联于第一电容Cn+1的两端，换言之，谐振模块10n的第一输出端和第二输出端可并联于第一电容Cn+1的两端；该第一开关单元100n的第三连接端可通过谐振单元101n连接第二开关单元102n的第三连接端。
在一些可行的实施方式中，上述控制模块20可连接谐振模块10a至谐振模块10n中的各谐振模块，例如，控制模块20可分别连接各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关，以控制各谐振模块中各开关的导通或者关断。控制模块20可基于目标输出电压增益控制谐振模块10a至谐振模块10n中各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到目标输出电压增益。其中，目标输出电压增益可以由谐振开关电容变换器在不同应用场景下所需求的输出电压增益决定，在不同应用场景下谐振开关电容变换器的目标输出电压增益可以不同，也可以相同，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。这里的目标输出电压增益可以为谐振开关电容变换器的输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压比值，且该目标输出电压增益大于或者等于1、且小于或者等于n+1，这里的n可以表示谐振模块的数量。
在一些可行的实施方式中，上述第一开关单元(如第一开关单元100a至第一开关单元100n)中包括串联的第一开关和第二开关，这里的第一开关和第二开关可组成开关桥臂，且第一开关可以理解为上桥臂开关，第二开关可以理解为下桥臂开关。其中，第一开关的一端可作为第一开关单元的第一连接端以连接第二电容的一端，第一开关的另一端可连接第二开关的一端，第二开关的另一端可作为第一开关单元的第二连接端以连接第一电容的一端，第一开关和第二开关的串联连接点可作为第一开关单元的第三连接端。
请一并参见图3，图3是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图。如图3 所示，在图2所示的第一开关单元100a中可包括串联的第一开关S11和第二开关S21，第一开关S11的一端可作为第一开关单元100a的第一连接端以连接第二电容C1的一端，第一开关S11的另一端可连接第二开关S21的一端，第二开关S21的另一端可作为第一开关单元100a的第二连接端以连接第一电容Cn+1的一端，第一开关S11和第二开关S21的串联连接点可作为第一开关单元100a的第三连接端。……，在图2所示的第一开关单元100n中可包括串联的第一开关S1n和第二开关S2n，第一开关S1n的一端可作为第一开关单元100n的第一连接端以连接第二电容Cn的一端，第一开关S1n的另一端可连接第二开关S2n的一端，第二开关S2n的另一端可作为第一开关单元100n的第二连接端以连接第一电容Cn+1的一端，第一开关S1n和第二开关S2n的串联连接点可作为第一开关单元100n的第三连接端。
在一些可行的实施方式中，上述第二开关单元(如第二开关单元102a至第二开关单元102n)中包括串联的第三开关和第四开关，这里的第三开关和第四开关可组成开关桥臂，且第三开关可以理解为上桥臂开关，第四开关可以理解为下桥臂开关。其中，第三开关的一端可作为第二开关单元的第一连接端以连接第二电容的另一端，第三开关的另一端可连接第四开关的一端，第四开关的另一端可作为第二开关单元的第二连接端以连接第一电容的另一端，第三开关和第四开关的串联连接点可作为第二开关单元的第三连接端。
请一并参见图4，图4是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图。如图4所示，在图3所示的第二开关单元102a中可包括串联的第三开关S31和第四开关S41，第三开关S31的一端可作为第二开关单元102a的第一连接端以连接第二电容C1的另一端，第三开关S31的另一端可连接第四开关S41的一端，第四开关S41的另一端可作为第二开关单元102a的第二连接端以连接第一电容C1的另一端，第三开关S31和第四开关S41的串联连接点可作为第二开关单元102a的第三连接端。……,如图3所示的第二开关单元102n中包括串联的第三开关S3n和第四开关S4n，第三开关S3n的一端可作为第二开关单元102n的第一连接端以连接第二电容Cn的另一端，第三开关S3n的另一端可连接第四开关S4n的一端，第四开关S4n的另一端可作为第二开关单元102n的第二连接端以连接第一电容Cn的另一端，第三开关S3n和第四开关S4n的串联连接点可作为第二开关单元102n的第三连接端。
在一些可行的实施方式中，第一开关(如上述第一开关S11至第一开关S1n)、第二开关(如上述第二开关S21至第二开关S2n)、第三开关(如上述第三开关S31至第三开关S3n)以及第四开关(如第四开关S41至第四开关S4n)可以是采用硅半导体材料(silicon，Si)，或者第三代宽禁带半导体材料的碳化硅(silicon carbide，SiC)，或者氮化镓(gallium nitride，GaN)，或者金刚石(diamond)，或者氧化锌(zinc oxide，ZnO)，或者其它材料制成的MOSFET、IGBT或者继电器，具体可根据实际应用场景确定，在此不做限制。在第一开关至第四开关为MOSFET的情况下，控制模块20可分别连接第一开关S11至第一开关S1n、第二开关S21至第二开关S2n、第三开关S31至第三开关S3n、以及第四开关S41至第四开关S4n中各开关的栅极，以控制各开关的导通或者关断；在第一开关至第四开关为IGBT的情况下，控制模块20可分别连接各开关的基极以控制各开关的导通或者关断；在第一开关至第四开关为继电器的情况下，控制模块20可分别连接各开关中的线圈以控制 各开关的导通或者关断。
在一些可行的实施方式中，上述谐振单元(如上述谐振单元101a至谐振单元101n)中包括串联的谐振电感和谐振电容，第一开关和第二开关的串联连接点可通过谐振电感和谐振电容连接第三开关和第四开关的串联连接点。请一并参见图5，图5是本申请提供的谐振开关电容变换器的另一结构示意图。如图5所示，如图4所示的谐振单元101a中包括串联的谐振电感Lr1和谐振电容Cr1，第一开关S11和第二开关S21的串联连接点可通过谐振电感Lr1和谐振电容Cr1连接第三开关S31和第四开关S41的串联连接点。其中，第一开关S11、第二开关S21、第三开关S31、第四开关S41、谐振电感Lr1以及谐振电容Cr1可以组成桥式谐振电路(也可以称为桥式谐振腔)。……,如图4所示的谐振单元101n中包括串联的谐振电感Lrn和谐振电容Crn，第一开关S1n和第二开关S2n的串联连接点可通过谐振电感Lrn和谐振电容Crn连接第三开关S3n和第四开关S4n的串联连接点。其中，第一开关S1n、第二开关S2n、第三开关S3n、第四开关S4n、谐振电感Lrn以及谐振电容Crn可以组成桥式谐振电路。
在一些可行的实施方式中，上述控制模块20可基于目标输出电压增益生成谐振模块10a至谐振模块10n中各谐振模块中的各开关的驱动信号(也可以称为控制信号)，并基于各开关的驱动信号控制谐振模块10a至谐振模块10n中各谐振模块中各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到目标输出电压增益。这里的各谐振模块中各开关的开关频率可以为各谐振模块的谐振频率(也可以称为固有频率)，该谐振频率可以为
其中，L
r可以表示谐振模块中谐振电感的电感感抗值，C
r可以表示谐振模块中谐振电容的电容容量值。例如，驱动信号可以为各谐振模块中的各开关的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号，可以简称为PWM信号，且PWM信号中的1表示开关导通，PWM信号中的0表示开关关断。
在一些可行的实施方式中，谐振开关电容变换器中包括n个谐振模块(如上述谐振模块10a至谐振模块10n)和n个第二电容(如上述第二电容C1至第二电容Cn)，n可以为大于1的正整数。其中，第二电容C1至第二电容Cn可串联于谐振开关电容变换器的输入端和输出端之间，连接输入端(如上述第一输入端)的第二电容为第1个第二电容(即第二电容C1)，连接输出端(如上述第一输出端)的第二电容为第n个第二电容(即第二电容Cn)，谐振模块10a至谐振模块10n中第i个谐振模块可并联于第二电容C1至第二电容Cn中第i个第二电容的两端。例如，谐振模块10a(即第1个谐振模块)可并联于第二电容C1(即第1个第二电容)的两端，……，谐振模块10n(即第n个谐振模块)可并联于第二电容Cn(即第n个第二电容)的两端。上述控制模块20可基于不同的目标输出电压增益控制谐振模块10a至谐振模块10n中不同谐振模块中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到不同的目标输出电压增益，灵活性更强，适用性更强。
在一些可行的实施方式中，在目标输出电压增益为1：1的情况下，控制模块20可控制第1个谐振模块(如上述谐振模块10a)中的第一开关和第二开关导通，并控制第1个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时谐振模块10a中的谐振单元101a上不产生谐 振。上述控制模块20还可以控制第2个谐振模块至第n个谐振模块(如谐振模块10b(图中未示出)至谐振模块10n)中各谐振模块中的各开关关断，这时谐振模块10b至谐振模块10n不工作，从而可使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到1：1。
为方便描述，下面将以谐振开关电容变换器中包括3个谐振模块(即n等于3)为例进行说明，请一并参见图6，图6是本申请提供的谐振开关电容变换器的又一结构示意图。如图6所示，谐振开关电容变换器中包括谐振模块10a、谐振模块10b、谐振模块10c、控制模块20、第一电容C4、串联的第二电容C1至第二电容C3，控制模块20可分别连接谐振模块10a至谐振模块10c，第一电容C4与串联的第二电容C1至第二电容C3串联。其中，谐振模块10a中包括第一开关S11、第二开关S21、第三开关S31、第四开关S41、谐振电感Lr1和谐振电容Cr1，第一开关S11的一端和第三开关S31的一端可并联于第二电容C1的两端，第二开关S21的另一端和第四开关S41的另一端可并联于第一电容C4的两端，第一开关S11和第二开关S21的串联连接点可通过谐振电感Lr1和谐振电容Cr1连接第三开关S31和第四开关S41的串联连接点。上述谐振模块10b中包括第一开关S12、第二开关S22、第三开关S32、第四开关S42、谐振电感Lr2和谐振电容Cr2，第一开关S12的一端和第三开关S32的一端可并联于第二电容C2的两端，第二开关S22的另一端和第四开关S42的另一端可并联于第一电容C4的两端，第一开关S12和第二开关S22的串联连接点可通过谐振电感Lr2和谐振电容Cr2连接第三开关S32和第四开关S42的串联连接点。上述谐振模块10c中包括第一开关S13、第二开关S23、第三开关S33、第四开关S43、谐振电感Lr3和谐振电容Cr3，第一开关S13的一端和第三开关S33的一端可并联于第二电容C3的两端，第二开关S23的另一端和第四开关S43的另一端可并联于第一电容C4的两端，第一开关S13和第二开关S23的串联连接点可通过谐振电感Lr3和谐振电容Cr3连接第三开关S33和第四开关S43的串联连接点。
请一并参见图7，图7是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的一波形示意图。为方便描述，下面将以上述谐振模块10a至谐振模块10c为例进行说明，如图7所示，在目标输出电压增益为1：1的情况下，控制模块20可生成谐振模块10a中的第一开关S11至第四开关S41、谐振模块10b中的第一开关S12至第四开关S42、以及谐振模块10c中的第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号。其中，第一开关S11和第二开关S21的驱动信号为1(表明了开关常通)，第三开关S31和第四开关S41的驱动信号为0(表明了开关常闭)，且第一开关S11至第四开关S41中各开关的开关频率约为谐振模块10a的谐振频率。上述第一开关S12、第二开关S22、第三开关S32以及第四开关S42中各开关的驱动信号为0，上述第一开关S13、第二开关S23、第三开关S33以及第四开关S43中各开关的驱动信号为0。进一步地，控制模块20可基于第一开关S11至第四开关S41中各开关的驱动信号控制第一开关S11和第二开关S21导通、第三开关S31和第四开关S41关断。控制模块20还可以基于第一开关S12至第四开关S42中各开关的驱动信号(即0)控制第一开关S12至第四开关S42中的各开关关断，并基于第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号(即0)控制第一开关S13至第四开关S43中的各开关关断，这时谐振开关电容变换器的输出电压增益可达到1：1。请一并参见图8，图8是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的一波形示意图。如图8所示，假设谐振开关电容变换器的输入 电压Vin为目标电压值(如20V或者其它电压值)，在目标输出电压增益为1：1的情况下，控制模块20可基于谐振模块10a至谐振模块10c中各开关的驱动信号(如上述图7所示的驱动信号)控制不同谐振模块中的各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到1:1。这时，谐振开关电容变换器的输入电压Vin与输出电压Vout之间的电压比值为1:1，因此谐振开关电容变换器的输出电压Vout为20V(即20V/1)。
在一些可行的实施方式中，在目标输出电压增益为m:1，m为大于1且小于n的正整数的情况下，控制模块20可控制第1个谐振模块至第m-1个谐振模块(如上述谐振模块10a至谐振模块10m-1(图中未示出))中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关关断；或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时谐振模块10a至谐振模块10m-1中的谐振单元(如谐振单元101a至谐振单元101m-1(图中未示出))上会产生谐振。控制模块20可控制第m个谐振模块(如谐振模块10m，图中未示出)中的第一开关和第二开关导通，并控制第m个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时谐振模块10m中的谐振单元(如谐振单元101m，图中未示出)上不产生谐振。上述控制模块20还可以控制第m+1个谐振模块至第n个谐振模块(如谐振模块10m+1(图中未示出)至谐振模块10n)中各谐振模块中的各开关关断，这时谐振模块10m+1至谐振模块10n不工作，从而可使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到m：1。
请一并参见图9，图9是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的另一波形示意图。为方便描述，下面将以上述谐振模块10a至谐振模块10c为例进行说明，如图9所示，在目标输出电压增益为m:1(如2:1)时，控制模块20可生成第一开关S11至第四开关S41、第一开关S12至第四开关S42、第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号。其中，第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S21和第四开关S41的驱动信号与第一开关S11和第三开关S31的驱动信号互补，换言之，在第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为1(或0)时，第二开关S21和第四开关S41的驱动信号为0(或1)，且第一开关S11至第四开关S41中各开关的开关频率约为谐振模块10a的谐振频率。上述第一开关S12和第二开关S22的驱动信号为1，第三开关S32和第四开关S42的驱动信号为0，且第一开关S12至第四开关S42中各开关的开关频率约为谐振模块10b的谐振频率，上述第一开关S13、第二开关S23、第三开关S33以及第四开关S43中各开关的驱动信号为0。
进一步地，控制模块20可基于第一开关S11至第四开关S41中各开关的驱动信号控制第一开关S11和第二开关S21导通，并控制第三开关S31和第四开关S41关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S11和第二开关S21关断，并控制第三开关S31和第四开关S41导通。控制模块20可基于第一开关S12至第四开关S42中各开关的驱动信号控制第一开关S12和第二开关S22导通，并控制第三开关S32和第四开关S42关断。控制模块20还可以基于第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号控制第一开关S13至第四开关S43中各开关关断，这时谐振开关电容变换器的输出电压增益可达到2：1。请一并参见图10，图10是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的另一波形示意图。如图10所示，假设谐振开关电容变换器的输入电压Vin为目标电压值(如20V)，在目标输 出电压增益为2：1的情况下，控制模块20可基于谐振模块10a至谐振模块10c中各开关的驱动信号(如上述图9所示的驱动信号)控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到2:1。这时，谐振开关电容变换器的输入电压Vin与输出电压Vout之间的电压比值为2:1，因此谐振开关电容变换器的输出电压Vout为10V(即20V/2)。
在一些可行的实施方式中，在目标输出电压增益为n:1时，上述控制模块20可控制第1个谐振模块至第n-1个谐振模块(如上述谐振模块10a至谐振模块10n-1(图中未示出))中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关关断；或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时谐振模块10a至谐振模块10n-1中的谐振单元(如谐振单元101a至谐振单元101n-1(图中未示出))上会产生谐振。上述控制模块20还可以控制第n个谐振模块(如上述谐振模块10n)中的第一开关和第二开关导通，并控制第n个谐振模块中的第三开关和第四开关关断，这时谐振模块10n中的谐振单元(如谐振单元101n)上不产生谐振，从而可使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到n：1。
请一并参见图11，图11是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的另一波形示意图。为方便描述，下面将以上述谐振模块10a至谐振模块10c为例进行说明，如图11所示，在目标输出电压增益为n:1(如3:1)时，控制模块20可生成第一开关S11至第四开关S41、第一开关S12至第四开关S42、第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号。其中，第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S21和第四开关S41的驱动信号与第一开关S11和第三开关S31的驱动信号互补，换言之，在第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为1(或0)时，第二开关S21和第四开关S41的驱动信号为0(或1)，且第一开关S11至第四开关S41中各开关的开关频率约为谐振模块10a的谐振频率。上述第一开关S12和第三开关S32的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S22和第四开关S42的驱动信号与第一开关S12和第三开关S32的驱动信号互补，换言之，在第一开关S12和第三开关S32的驱动信号为1(或0)时，第二开关S22和第四开关S42的驱动信号为0(或1)，且第一开关S12至第四开关S42中各开关的开关频率约为谐振模块10b的谐振频率。上述第一开关S13和第二开关S23的驱动信号为1，第三开关S33和第四开关S43的驱动信号为0，且第一开关S13至第四开关S43中各开关的开关频率约为谐振模块10c的谐振频率。
进一步地，控制模块20可基于第一开关S11至第四开关S41中各开关的驱动信号控制第一开关S11和第三开关S31导通，并控制第二开关S21和第四开关S41关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S11和第三开关S31关断，并控制第二开关S21和第四开关S41导通。控制模块20可基于第一开关S12至第四开关S42中各开关的驱动信号控制第一开关S12和第三开关S32导通，并控制第二开关S22和第四开关S42关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S12和第三开关S32关断，并控制第二开关S22和第四开关S42导通。控制模块20还可以基于第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号控制第一开关S13和第二开关S23导通，并控制第三开关S33和第四开关S43关断，这时谐振开关电容变换器的输出电压增益可达到2：1。请一并参见图12，图12是本申请提供的谐 振开关电容变换器的输入输出电压的另一波形示意图。如图12所示，假设谐振开关电容变换器的输入电压Vin为目标电压值(如20V)，在目标输出电压增益为3：1的情况下，控制模块20可基于谐振模块10a至谐振模块10c中各开关的驱动信号(如上述图11所示的驱动信号)控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到3:1。这时，谐振开关电容变换器的输入电压Vin与输出电压Vout之间的电压比值为3:1，因此谐振开关电容变换器的输出电压Vout约为6.6V(即20V/3)。
在一些可行的实施方式中，在目标输出电压增益为n+1:1时，控制模块20可控制n个谐振模块(如上述谐振模块10a至谐振模块10n)中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关关断；或者控制各谐振模块中的第一开关和第三开关关断，并控制各谐振模块中的第二开关和第四开关导通，这时谐振模块10a至谐振模块10n中的谐振单元(如谐振单元101a至谐振单元101n)上均会产生谐振，从而可使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到n+1：1。
请一并参见图13，图13是本申请提供的各谐振模块中各开关的驱动信号的又一波形示意图。为方便描述，下面将以谐振模块10a至谐振模块10c为例进行说明，如图13所示，在目标输出电压增益为n+1:1(如4:1)时，控制模块20可生成第一开关S11至第四开关S41、第一开关S12至第四开关S42、第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号。其中，第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S21和第四开关S41的驱动信号与第一开关S11和第三开关S31的驱动信号互补，换言之，在第一开关S11和第三开关S31的驱动信号为1(或0)时，第二开关S21和第四开关S41的驱动信号为0(或1)，且第一开关S11至第四开关S41中各开关的开关频率约为谐振模块10a的谐振频率。上述第一开关S12和第三开关S32的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S22和第四开关S42的驱动信号与第一开关S12和第三开关S32的驱动信号互补，换言之，在第一开关S12和第三开关S32的驱动信号为1(或0)时，第二开关S22和第四开关S42的驱动信号为0(或1)，且第一开关S12至第四开关S42中各开关的开关频率约为谐振模块10b的谐振频率。上述第一开关S13和第三开关S33的驱动信号为具有50％开关占空比的方波，且第二开关S23和第四开关S43的驱动信号与第一开关S13和第三开关S33的驱动信号互补，换言之，在第一开关S13和第三开关S33的驱动信号为1(或0)时，第二开关S23和第四开关S43的驱动信号为0(或1)，且第一开关S13至第四开关S43中各开关的开关频率约为谐振模块10c的谐振频率。
进一步地，控制模块20可基于第一开关S11至第四开关S41中各开关的驱动信号控制第一开关S11和第三开关S31导通，并控制第二开关S21和第四开关S41关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S11和第三开关S31关断，并控制第二开关S21和第四开关S41导通。控制模块20可基于第一开关S12至第四开关S42中各开关的驱动信号控制第一开关S12和第三开关S32导通，并控制第二开关S22和第四开关S42关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S12和第三开关S32关断，并控制第二开关S22和第四开关S42导通。控制模块20还可以基于第一开关S13至第四开关S43中各开关的驱动信号控制第一开关S13和第三开关S33导通，并控制第二开关S23和第四开关S43关断；或者基于各开关的驱动信号控制第一开关S13和第三开关S33关断，并控制第二开关S23和第四开 关S43导通，这时谐振开关电容变换器的输出电压增益可达到4：1。请一并参见图14，图14是本申请提供的谐振开关电容变换器的输入输出电压的又一波形示意图。如图14所示，假设谐振开关电容变换器的输入电压Vin为目标电压值(如20V)，在目标输出电压增益为4：1的情况下，控制模块20可基于谐振模块10a至谐振模块10c中各开关的驱动信号(如上述图13所示的驱动信号)控制不同谐振模块中各开关的导通或者关断，以使谐振开关电容变换器的输出电压增益达到4:1。这时，谐振开关电容变换器的输入电压Vin与输出电压Vout之间的电压比值为4:1，因此谐振开关电容变换器的输出电压Vout约为5V(即20V/4)。由此可见，控制模块20可基于不同的目标输出电压增益生成不同的各开关的驱动信号，并基于不同的各开关的驱动信号控制谐振模块10a至谐振模块10c中不同开关的导通或者关断，从而灵活调整谐振开关电容变换器的输出电压增益，适用性更强。
在本申请中，可通过控制各谐振模块中各开关的导通或者关断来灵活调整谐振开关电容变换器的目标输出电压增益，从而避免了改变硬件电路拓扑，灵活性强，适用性强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
- 一种谐振开关电容变换器，其特征在于，所述谐振开关电容变换器包括控制模块、第一电容、多个谐振模块和串联的多个第二电容；其中，所述第一电容与所述串联的多个第二电容串联，一个谐振模块对应一个第二电容，所述谐振模块包括第一开关单元、谐振单元和第二开关单元，所述第一开关单元的第一连接端和所述第二开关单元的第一连接端并联于所述第二电容的两端，所述第一开关单元的第二连接端和所述第二开关单元的第二连接端并联于所述第一电容的两端，所述第一开关单元的第三连接端通过所述谐振单元连接所述第二开关单元的第三连接端；所述控制模块连接各谐振模块，所述控制模块用于基于目标输出电压增益控制所述各谐振模块中第一开关单元和第二开关单元中的各开关的导通或者关断，以使所述谐振开关电容变换器的输出电压增益达到所述目标输出电压增益。
- 根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第一开关单元包括串联的第一开关和第二开关，所述第一开关的一端作为所述第一开关单元的第一连接端，所述第一开关的另一端连接所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端作为所述第一开关单元的第二连接端，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点作为所述第一开关单元的第三连接端。
- 根据权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述第二开关单元包括串联的第三开关和第四开关，所述第三开关的一端作为所述第二开关单元的第一连接端，所述第三开关的另一端连接所述第四开关的一端，所述第四开关的另一端作为所述第二开关单元的第二连接端，所述第三开关和所述第四开关的串联连接点作为所述第二开关单元的第三连接端。
- 根据权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述控制模块用于基于所述目标输出电压增益生成所述各谐振模块中各开关的驱动信号，并基于所述各开关的驱动信号控制所述各谐振模块中各开关的导通或者关断。
- 根据权利要求3或4所述的变换器，其特征在于，所述谐振开关电容变换器包括n个谐振模块和n个第二电容，n为大于1的正整数，所述n个第二电容串联于所述谐振开关电容变换器的输入端和输出端之间，其中，连接所述输入端的第二电容为第1个第二电容，连接所述输出端的第二电容为第n个第二电容，所述n个谐振模块中第i个谐振模块并联于所述n个第二电容中第i个第二电容的两端；所述控制模块用于基于不同的目标输出电压增益控制所述各谐振模块中不同谐振模块中各开关的导通或者关断，以使所述谐振开关电容变换器的输出电压增益达到所述不同的目标输出电压增益。
- 根据权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述目标输出电压增益为1：1；所述控制模块用于控制第1个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制所述第 1个谐振模块中的第三开关和第四开关关断；所述控制模块还用于控制第2个谐振模块至第n个谐振模块中各谐振模块中的各开关关断。
- 根据权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述目标输出电压增益为m:1，m为大于1且小于n的正整数；所述控制模块用于控制第1个谐振模块至第m-1个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关关断，或者控制所述各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关导通；所述控制模块还用于控制第m个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制所述第m个谐振模块中的第三开关和第四开关关断；所述控制模块还用于控制第m+1个谐振模块至第n个谐振模块中各谐振模块中的各开关关断。
- 根据权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述目标输出电压增益为n:1；所述控制模块用于控制第1个谐振模块至第n-1个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关关断，或者控制所述各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关导通；所述控制模块还用于控制第n个谐振模块中的第一开关和第二开关导通，并控制所述第n个谐振模块中的第三开关和第四开关关断。
- 根据权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述目标输出电压增益为n+1:1；所述控制模块用于控制所述n个谐振模块中各谐振模块中的第一开关和第三开关导通、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关关断，或者控制所述各谐振模块中的第一开关和第三开关关断、所述各谐振模块中的第二开关和第四开关导通。
- 根据权利要求3-9任一项所述的变换器，其特征在于，所述谐振单元包括串联的谐振电感和谐振电容，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述谐振电感和所述谐振电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点。
- 一种供电系统，其特征在于，所述供电系统包括供电模块以及与所述供电模块连接的如权利要求1-10任一项所述的谐振开关电容变换器。
- 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括至少一组光伏阵列，所述光伏阵列由多个光伏板串联组成。
- 根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括至少一个储能单元，所述储能单元包括储能电池或者超级电容。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CN2021/093604 WO2022236774A1 (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 谐振开关电容变换器及供电系统 |
| EP21941346.5A EP4322386A1 (en) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | Resonant switch capacitor converter and power supply system |
| CN202180097049.1A CN117157867A (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 谐振开关电容变换器及供电系统 |
| US18/506,308 US20240079957A1 (en) | 2021-05-13 | 2023-11-10 | Resonant Switched Capacitor Converter and Power Supply System |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CN2021/093604 WO2022236774A1 (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 谐振开关电容变换器及供电系统 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| US18/506,308 Continuation US20240079957A1 (en) | 2021-05-13 | 2023-11-10 | Resonant Switched Capacitor Converter and Power Supply System |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2022236774A1 true WO2022236774A1 (zh) | 2022-11-17 |
Family
ID=84027887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/CN2021/093604 WO2022236774A1 (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 谐振开关电容变换器及供电系统 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240079957A1 (zh) |
| EP (1) | EP4322386A1 (zh) |
| CN (1) | CN117157867A (zh) |
| WO (1) | WO2022236774A1 (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6069809A (en) * | 1998-05-08 | 2000-05-30 | Denso Corporation | Resonant inverter apparatus |
| CN102522896A (zh) * | 2008-04-02 | 2012-06-27 | 台达电子工业股份有限公司 | 并联连接的谐振转换器电路及其控制方法 |
| CN102868301A (zh) * | 2012-09-10 | 2013-01-09 | 深圳市泰昂能源科技股份有限公司 | 实现瞬时电压电流平衡的级联式dc/dc变换器 |
| CN108900091A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-27 | 华南理工大学 | 一种基于llc谐振变换器的拓扑结构 |
| CN109698626A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-04-30 | 东南大学 | 一种适用于中压直流配电网的组合式输入串联输出并联直流变压器及其控制方法 |
-
2021
- 2021-05-13 WO PCT/CN2021/093604 patent/WO2022236774A1/zh active Application Filing
- 2021-05-13 CN CN202180097049.1A patent/CN117157867A/zh active Pending
- 2021-05-13 EP EP21941346.5A patent/EP4322386A1/en active Pending
-
2023
- 2023-11-10 US US18/506,308 patent/US20240079957A1/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6069809A (en) * | 1998-05-08 | 2000-05-30 | Denso Corporation | Resonant inverter apparatus |
| CN102522896A (zh) * | 2008-04-02 | 2012-06-27 | 台达电子工业股份有限公司 | 并联连接的谐振转换器电路及其控制方法 |
| CN102868301A (zh) * | 2012-09-10 | 2013-01-09 | 深圳市泰昂能源科技股份有限公司 | 实现瞬时电压电流平衡的级联式dc/dc变换器 |
| CN108900091A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-27 | 华南理工大学 | 一种基于llc谐振变换器的拓扑结构 |
| CN109698626A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-04-30 | 东南大学 | 一种适用于中压直流配电网的组合式输入串联输出并联直流变压器及其控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117157867A (zh) | 2023-12-01 |
| US20240079957A1 (en) | 2024-03-07 |
| EP4322386A1 (en) | 2024-02-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10938322B2 (en) | Soft switching inverter device and method | |
| Zhou et al. | High step-up converter with capacity of multiple input | |
| EP2637292B1 (en) | Direct current link circuit | |
| EP3163734B1 (en) | Dc-dc converter with high transformer ratio | |
| US9806601B2 (en) | Boost converter and method | |
| US20120153729A1 (en) | Multi-input bidirectional dc-dc converter | |
| US9362846B2 (en) | Soft switching inverter with auxiliary switch facilitating zero voltage switching | |
| US20130003424A1 (en) | Multi-phase interleaved bidirectional dc-dc converter with high voltage conversion ratio | |
| Nag et al. | Current-fed switched inverter based hybrid topology for DC nanogrid application | |
| US11342843B2 (en) | Boost converter and control method | |
| EP3633843B1 (en) | Current converter and driving method therefor | |
| US20220286049A1 (en) | Dc/dc converting device | |
| Hulea et al. | High ratio bidirectional hybrid switched inductor converter using wide bandgap transistors | |
| RU2454779C1 (ru) | Двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения | |
| US20230299690A1 (en) | Neutral point clamped inverter and photovoltaic power supply system | |
| US10938308B2 (en) | Hybrid devices for boost converters | |
| WO2022236774A1 (zh) | 谐振开关电容变换器及供电系统 | |
| WO2024026590A1 (zh) | 功率变换装置、控制方法及供电系统 | |
| US20230208287A1 (en) | Dc/dc converter, voltage gain switching method and system | |
| Chen et al. | A new switched-capacitor based hybrid converter with large step-up DC gain and low voltage on its semiconductors | |
| Babaei et al. | A new structure of quasi Z-source-based cascaded multilevel inverter | |
| Sahin et al. | Small signal analyses and hardware implementation of a buck-boost converter for renewable energy applications | |
| KR101197078B1 (ko) | 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치 | |
| Moo et al. | DC-to-DC converter with hybrid input sources | |
| Zhao et al. | Interleaved high step-up converter with coupled inductor and blocking capacitor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21941346 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2021941346 Country of ref document: EP |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2021941346 Country of ref document: EP Effective date: 20231107 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |