一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，能实现4X倍的升压/降压交流-交流变换。所述的桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器仅由电容器和双向开关器件组成，其中电容器为无极性电容，每个双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成。当处于升压模式时，输入端与低压源相连，输出端与负载相连；当处于降压模式时，输入端与高压源相连，输出端与负载相连，交换电源与负载即可实现升压/降压转换，控制方式简单。具有能量转换效率高、重量轻、功率密度高、器件总功率等级低、扩展性强等优点，可替代用于家用或商用电器的低功率、低电压自耦变压器。
【专利说明】一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种开关电容交流-交流变换器，尤其涉及一种桥式模块化多电平双 向开关电容交流-交流变换器。
【背景技术】
[0002] 在家用或商用电器中通常采用低功率、低电压的自耦变压器来获得不同数值的交 流电压，但是自耦变压器同任何电磁变压器一样，效率差并且会产生相当大的可闻噪声，与 此同时用于生产自耦变压器的材料金属铜成本较高，经济效益不佳。开关电容变换器仅由 一定数量的电容和开关组成，无磁性元件，具有体积小、重量轻、功率密度大、易集成等优 点。开关电容变换器在非隔离直流-直流电力变换上的应用研究已经有了数十年时间，而 用于交流-交流变换始于近几年。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器， 能实现4X倍的升压/降压交流-交流变换。
[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种桥式模块化多电平双向开关电容交 流-交流变换器，包括一个Η桥、至少一个基本开关电容模块；所述Η桥包括二个输入端和 四个输出端；所述基本开关电容模块包括四个输入端和二个输出端；
[0005] 所述Η桥由第一双向开关Si、第二双向开关S2、第三双向开关S3、第四双向开关S 4 组成；所述双向开关的控制方式为第一双向开关Si和第四双向开关S4同步，第二双向开关 S2与第三双向开关S 3同步；所述第一双向开关Si和第四双向开关S4的驱动信号与第二双 向开关S2与第三双向开关S 3的驱动信号之间相差180° ;
[0006] 所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S 7、第 八双向开关S8和第一电容Q、第二电容C2、第三电容C 3、第四电容C4组成；
[0007] 每个所述双向开关由两个全控型器件M0SFET源极串联而成，驱动信号同时施加 到所述两个全控型器件M0SFET的栅极和源极，则实现了双向导通。
[0008] 作为优选：所述第一双向开关&的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向 开关Si的第二漏极与所述第二双向开关S 2的第一漏极连接；所述第二双向开关S2的第二 漏极与输入电源负极连接；
[0009] 所述第三双向开关s3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关s 3的第 二漏极与所述第四双向开关S4的第一漏极连接；所述第四双向开关s4的第二漏极与输入电 源负极连接。
[0010] 作为优选：所述第五双向开关S5的第一漏极与输入电源正极连接；所述第五双向 开关s 5的第二漏极与所述第七双向开关s7的第一漏极连接；所述第七双向开关s7的第二 漏极为输出电源正极；
[0011] 所述第六双向开关s6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关S 6的第 二漏极与所述第八双向开关S8的第一漏极连接；所述第八双向开关s8的第二漏极为输出电 源负极；
[0012] 所述第一电容Ci连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第五双向开关s5的第 二漏极之间；第一电容c 2连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第六双向开关s6的第 二漏极之间；第三电容c 3连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第七双向开关s7的第 二漏极之间；第四电容c 4连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第八双向开关s8的第 二漏极之间；
[0013] 作为优选：所述第一电容Q、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C 4为无极性电容。
[0014] 作为优选：将所述输入电源与输出电源交换，即可实现降压的功能。
[0015] 作为优选：所述基本开关电容模块可以串联形成基本开关电容模块拓扑，每增加 一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平升高或降低4倍。
[0016] 相较于现有技术，本发明提供的技术方案具备以下有益效果：
[0017] 本发明提供的一种桥式模块化开关电容交流-交流变换器，在升压模式下可将电 源的交流电压进行4X倍升压，交换电源和负载即可实现4X倍降压。能量转换效率高、重量 轻、功率密度高、器件总功率等级低、扩展性强，可替代用于家用或商用电器的自耦变压器。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的电路结构示意图。
[0019] 图2为理论波形图，其中：(a)输入和输出电压（b)电容两端电压（c)开关管端电 压。
[0020] 图3为Η桥电路图。
[0021] 图4为基本开关电容|旲块图。
[0022] 图5为各开关触发脉冲波形图。
[0023] 图6为增加一个基本开关电容模块后的升压电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图与实例，对本发明作进一步阐述。
[0025] 实施例一：
[0026] 本实施例以升压电路为例：参考图1-5, 一种桥式模块化多电平双向开关电容交 流-交流变换器，包括一个Η桥、至少一个基本开关电容模块；所述Η桥包括二个输入端和 四个输出端，所述二个输入端分别与输入电源的正极、负极连接；所述四个输出端与所述基 本开关电容模块的四个输入端连接；所述基本开关电容模块的二个输出端为输出电源的正 负极；
[0027] 所述Η桥由第一双向开关Si、第二双向开关S2、第三双向开关S3、第四双向开关S 4 组成；所述双向开关的控制方式为第一双向开关Si和第四双向开关S4同步，第二双向开关 S2与第三双向开关S3同步；所述第一双向开关Si和第四双向开关S4的驱动信号与第二双 向开关S 2与第三双向开关S3的驱动信号之间相差180°，如图5所示；
[0028] 所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S 7、第 八双向开关s8和第一电容Q、第二电容C2、第三电容C 3、第四电容C4组成；所述第一电容Cp 第二电容C2、第三电容c3、第四电容c4为无极性电容。
[0029] 每个所述双向开关由两个全控型器件M0SFET源极串联而成，驱动信号同时施加 到所述两个全控型器件M0SFET的栅极和源极，则实现了双向导通。
[0030] 所述第一双向开关Si的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向开关Si的第 二漏极与所述第二双向开关S 2的第一漏极连接；所述第二双向开关S2的第二漏极与输入 电源负极连接；
[0031] 所述第三双向开关S3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关S 3的第 二漏极与所述第四双向开关S4的第一漏极连接；所述第四双向开关s4的第二漏极与输入电 源负极连接。
[0032] 所述第五双向开关S5的第一漏极与输入电源正极连接；所述第五双向开关S 5的第 二漏极与所述第七双向开关S7的第一漏极连接；所述第七双向开关S7的第二漏极为输出电 源正极；
[0033] 所述第六双向开关S6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关S 6的第 二漏极与所述第八双向开关S8的第一漏极连接；所述第八双向开关S8的第二漏极为输出电 源负极；
[0034] 所述第一电容Q连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第五双向开关S5的第 二漏极之间；第一电容c 2连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第六双向开关s6的第 二漏极之间；第三电容c 3连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第七双向开关s7的第 二漏极之间；第四电容c 4连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第八双向开关s8的第 二漏极之间；
[0035] 在一个开关周期中，桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器有两种工 作状态。现对工作状态说明如下：
[0036] (1)开关51、54、56、57导通，开关5 2、53、55、58关断。（：1、(；放电，（： 2、(：3充电，其中 电源对c2充电，同时电源与Ci串联对c 3充电。
[0037] (2)开关52、53、55、58导通，开关5 1、54、56、57关断。（：1、(；充电，（： 2、(：3放电，其中 电源对Ci充电，同时电源与c2串联对c 4充电。
[0038] 两个工作状态交替进行。在整个工作状态中，开关频率为100kHz，驱动信号占空 比为0. 5。电源分别将Q、C2充电至电压VlOT，电源分别与C2、Q串联对C 4、C3充电至电压 2V1ot。C3、C 4串联得到输出电压4V1qw。
[0039] VlOT负半周时电路拓扑状态如图1所示。工作原理与VlOT正半周时一致，但流经开 关管的电流方向改变，开关管反向导通。
[0040] 参考图2,为本实施例的理论波形图，其中vpk为低压侧电压峰值，va、v e2、vra、ve4s 电容两端电压，VS1、VS2、VS3、VS4为开关管端电压。由图上可以看出，上述的理论说明很好地 得到了实验数据的支持。
[0041] 实施例二：
[0042] 参考图5,如要实现8倍的升压，只需在当前基本开关电容模块后再添加一个基本 开关电容模块形成基本开关电容模块拓扑，原理同上所述。
[0043] 实施例三：
[0044] 若要形成降压变换器，则只需要将实施例一中的输入电源和输出电源的位置交 换，即可实现。
[0045] 综上所述，本发明所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器 仅由电容和开关器件以及相关驱动电路组成，控制简单，无磁性元件，电容电压不含直流成 分，具有高效率、高功率密度、扩展性强的优点，可以实现4X倍的升压/降压交流-交流变 换。
[0046] 以上所述，仅为本发明较佳的【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，可轻易想到的变化或替换， 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该以权利要求的保护范围 为准。
【权利要求】
1. 一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其特征在于包括一个Η桥、 至少一个基本开关电容模块；所述Η桥包括二个输入端和四个输出端；所述基本开关电容 模块包括四个输入端和二个输出端； 所述Η桥由第一双向开关Si、第二双向开关&、第三双向开关&、第四双向开关&组成； 所述双向开关的控制方式为第一双向开关Si和第四双向开关S4同步，第二双向开关S2与 第三双向开关S 3同步；所述第一双向开关Si和第四双向开关S4的驱动信号与第二双向开 关&与第三双向开关&的驱动信号之间相差180° ; 所述基本开关电容模块由第五双向开关S5、第六双向开关S6、第七双向开关S7、第八双 向开关S8和第一电容Q、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C 4组成； 每个所述双向开关由两个全控型器件MOSFET源极串联而成，驱动信号同时施加到所 述两个全控型器件MOSFET的栅极和源极，则实现了双向导通。
2. 根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其 特征在于：所述第一双向开关Si的第一漏极与输入电源正极连接；所述第一双向开关Si的 第二漏极与所述第二双向开关&的第一漏极连接；所述第二双向开关S 2的第二漏极与输入 电源负极连接； 所述第三双向开关S3的第一漏极与输入电源正极连接；所述第三双向开关S3的第二漏 极与所述第四双向开关&的第一漏极连接；所述第四双向开关S4的第二漏极与输入电源负 极连接。
3. 根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其 特征在于：所述第五双向开关&的第一漏极与输入电源正极连接；所述第五双向开关&的 第二漏极与所述第七双向开关&的第一漏极连接；所述第七双向开关S 7的第二漏极为输出 电源正极； 所述第六双向开关s6的第一漏极与输入电源负极连接；所述第六双向开关s6的第二漏 极与所述第八双向开关&的第一漏极连接；所述第八双向开关s8的第二漏极为输出电源负 极； 所述第一电容Q连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第五双向开关s5的第二漏 极之间；第一电容c2连接在所述第一双向开关Si的第二漏极与第六双向开关s6的第二漏 极之间；第三电容c 3连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第七双向开关s7的第二漏 极之间；第四电容c 4连接在所述第三双向开关s3的第二漏极与第八双向开关s8的第二漏 极之间。
4. 根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其 特征在于：所述第一电容Ci、第二电容c2、第三电容c 3、第四电容c4为无极性电容。
5. 根据权利要求1-4所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器， 其特征在于：将所述输入电源与输出电源交换，即可实现降压的功能。
6. 根据权利要求1所述的一种桥式模块化多电平双向开关电容交流-交流变换器，其 特征在于：所述基本开关电容模块可以串联形成基本开关电容模块拓扑，每增加一个基本 开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平升高或降低4倍。
【文档编号】H02M5/458GK104052307SQ201410270370
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】何良宗, 李彤, 周伟, 陈文芗, 廖育贤 申请人:厦门大学