具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑及基于其的电源转换结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种电源转换结构，更具体地，涉及一种用于分布式电源系统和通用负载点应用的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑及基于其的电源转换结构。


背景技术：

2.在数据中心和电动汽车中，越来越需要从分布式电源系统到负载点应用的更高效的电源转换拓扑。一种现有的实现上述功能的变压电路，如图1所示，包括谐振腔、开关、控制逻辑和一个或多个非谐振电容器。生成两组或多组控制信号输入的控制逻辑，这些控制信号输入应用于开关的输入，从而对于每组控制信号形成一个或多个子电路回路，并且其中一个或多个子电路回路用于第一组控制信号不同于第二组控制信号的一个或多个子电路回路，每个子电路回路包括一个或多个谐振回路，以及至少一个子电路回路包括一个非谐振电容器。但是这种变压器结构复杂，制造成本高。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、制造成本低的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑。
4.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑，包括通过导线依次串联并接至输入电源两端的数量至少为k个的转换开关电容器以及一个输出开关电容器，当变压比n为偶数时，k＝n/2；当变压比n为非偶数时，k为大于n/2的最小整数；输出开关电容器的下端接地，输出开关电容器的两端连接有输出接口；还包括数量为k的开关谐振腔转换器，当变压比n为偶数时，k＝n/2；当变压比n为非偶数时，k为大于n/2的最小整数；
5.开关谐振腔转换器包括输入组件、输出组件、以及连接两者的连接组件，输入组件包括通过导线串联的第一mosfet开关和第二mosfet开关，输出组件包括通过导线串联的第三mosfet开关和第四mosfet开关，连接组件包括通过导线串联的谐振电容和谐振电感，连接组件靠近谐振电容的一端连接在第一mosfet开关和第二mosfet开关之间的导线上，连接组件另一端连接在第三mosfet开关和第四mosfet开关之间的导线上；第一mosfet开关和第三mosfet开关上分别设有第一信号输入端；第二mosfet开关、和第四mosfet开关上分别设有第二信号输入端；第一mosfet开关和第四mosfet以相同的时间开启和关闭，第二mosfet开关和第三mosfet以相同的时间开启和关闭；且开关谐振腔转换器的品质因素q满足：0.1≤q≤10；
6.开关谐振腔转换器的输入组件的第一mosfet开关和第二mosfet开关分别连接在相对应的各个转换开关电容器的两端，开关谐振腔转换器的输出组件的第四mosfet开关连接在输出开关电容器的下端，开关谐振腔转换器的输出组件的第三mosfet开关连接在输出
开关电容器的上端或该开关谐振腔转换器对应的转换开关电容器靠近输出开关电容器一侧的任意其余转换开关电容器的上端。
7.作为一种优选的方案，所述开关谐振腔转换器中在各个开关事件之间存在死区时间，即第一信号输入端和第二信号输入端都关闭，且第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都处于打开状态的时间。
8.作为一种优选的方案，所述第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都为零电流开关。
9.作为一种优选的方案，所述转换开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
10.作为一种优选的方案，所述输出开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
11.本实用新型所要解决的另一个技术问题是：提供一种结构简单、制造成本低的电源转换拓扑。
12.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：一种电源转换结构，包括至少两个并联设置的如上任意项所述的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑。
13.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的另一个技术方案为：一种电源转换结构，包括串联的至少两个变压组件，每个变压组件包括一个或两个以上并联设置的如上任意项所述的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑。
14.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的另一个技术方案为：一种电源转换结构，包含串联在一起的电源转换组件以及负载点转换组件，电源转换组件包括并联设置的多个如上任意项所述的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑，负载点转换组件包括并联设置的若干负载点转换器。
15.本实用新型的有益效果是：该电源转换拓扑是基于电路承载结构构建的，例如印刷电路板、硅基板或任何其他电路承载结构。本电源转换拓扑可以广泛适用于不需要电流隔离的高比率dc-dc总线转换。例如，数据中心、电动汽车、机器人和安防系统。与现有技术解决方案相比，它的优势在于用更少的器件，通过谐振转换器和转换开关电容之间不同的组合方式，实现所需要的电压转换比例。同时由于电子器件的总量减少，bom的成本将显著降低，更有利于产品的大规模量产。
16.该电源转换拓扑中的每个单独的能量转换子电路回路都有一个感性阻抗，并且由于感性阻抗的di/dt限制，飞跨电容器在正常操作期间被软充电和放电。这克服了传统scc(开关电容转换器)的固有弱点，其中会产生大的浪涌电流，瞬间导致电荷重新分配损耗，并导致高开关损耗和高rms电流损耗。当该电源转换拓扑的开关在关断状态期间钳位其漏源电压(vds)时，谐振电感器和开关结电容器之间的寄生振铃将被消除，从而降低每个开关上的应力。此外，受益于谐振腔的谐振操作，可以实现零电流开关的方式控制该电源转换拓扑的开关，从而导致非常低或可忽略不计的开关损耗和非常高的效率，相对于没有零电流开关。实现了更便宜和紧凑的解决方案，并提供了简单性、模块化和可扩展性。
17.由于电源转换结构包含串联在一起的电源转换组件以及负载点转换组件，电源转换组件包括并联设置的多个具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转
换拓扑，负载点转换组件包括并联设置的若干负载点转换器；实现对微处理器(cpu、gpu、asic等)核心轨、内存轨等采用了两阶段转换的方式。第一级总线转换器使用sctc将输入48v总线降压到中间总线12v。之后单相或多相pol用于第二级负载点功率转换。
附图说明
18.图1是双变压器电源设计框图
19.图2是开关谐振腔转换器示意图
20.图3为4-1电源转换拓扑图
21.图4为图3中电源转换拓扑图的开关控制输入信号的时序图和电路的电流波形
22.图5为8-1电源转换拓扑图
23.图6为另一种8-1电源转换拓扑图
24.图7为2-1电源转换拓扑图
25.图8为一种电源转换结构图
26.图9为包含串联在一起的电源转换组件以及负载点转换组件的电源转换结构示意图
具体实施方式
27.下面结合附图，详细描述本实用新型的具体实施方案。
28.实施例1，如图2-3所示，具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的4-1电源转换拓扑，包括通过导线依次串联并接至输入电源两端的2个的转换开关电容器c1、c2以及一个输出开关电容器c0，输出开关电容器的下端接地，输出开关电容器的两端连接有输出接口；还包括2个的开关谐振腔转换器l1、l2；
29.其中，开关谐振腔转换器，如图2所示，包括输入组件、输出组件、以及连接两者的连接组件，输入组件包括通过导线串联的第一mosfet开关和第二mosfet开关，输出组件包括通过导线串联的第三mosfet开关和第四mosfet开关，连接组件包括通过导线串联的谐振电容和谐振电感，连接组件靠近谐振电容的一端连接在第一mosfet开关和第二mosfet开关之间的导线上，连接组件另一端连接在第三mosfet开关和第四mosfet开关之间的导线上；第一mosfet开关和第三mosfet开关上分别设有第一信号输入端；第二mosfet开关、和第四mosfet开关上分别设有第二信号输入端；第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都为零电流开关。第一mosfet开关和第四mosfet以相同的时间开启和关闭，第二mosfet开关和第三mosfet以相同的时间开启和关闭；且开关谐振腔转换器的品质因素q满足：0.1≤q≤10；
30.开关谐振腔转换器中在各个开关事件之间存在死区时间，即第一信号输入端和第二信号输入端都关闭，且第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都处于打开状态的时间。
31.转换开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。输出开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
32.开关谐振腔转换器lj(j为1、2)的输入组件的第一mosfet开关和第二mosfet开关分别连接在相对应的各个转换开关电容器ci(i为1、2)的两端，开关谐振腔转换器lj(j为1、
2)的输出组件的第四mosfet开关连接在输出开关电容器的下端，开关谐振腔转换器l1的输出组件的第三mosfet开关连接在转换开关电容器c1的上端。开关谐振腔转换器l2的输出组件的第三mosfet开关连接在输出开关电容器c0的上端。
33.在初始操作阶段，输入电压被等效地分为3个部分的能量储存在每个转换开关电容器c2、c1和输出开关电容中c0。开关谐振腔转换器l1将存储在c2的能量将通过谐振腔传输到c1和c0。开关谐振腔转换器l2将存储在c1的能量将通过谐振腔传输到c0。来实现最终从48v到12v比例为4-1的电压转换。
34.本电路的谐振腔内部需要保持自己同步，但多个谐振腔相互独立，无论是周期、相位、还是频率，不要求谐振腔之间有同步关系。
35.第一组开关控制信号s1与第二组开关控制信号s2具有180度的相移。两个控制信号输入的占空比相同或大致相同。每个能量转换回路的开关谐振腔转换器包括一个谐振电感和一个谐振电容。当开关处于断开状态时，能量转换回路中的开关电容器c1，c2和c3有助于钳位开关端子两端的电压。开关控制信号s1和s2控制开关，使得它们在零电流下接通和断开，即零电流开关(zcs)。与电流在开关中流动时的状态相比，此零电流开关zcs功能可降低开关损耗。
36.每个开关状态的“开”和“关”时间取决于该特定开关状态中涉及的谐振电感器和谐振电容器的谐振频率。此外，由于开关电容器c1，c2和c3通常不参与谐振，因此此类电容器可以合理地被视为电压源，它对谐振频率的影响可以忽略不计。理想情况下，开关状态的“导通”时间等于等效谐振电路的正弦谐振周期的一半。实际上，因为存在串联电阻为谐振电路引入了一些阻尼，每个开关状态的实际“导通”时间可以调整为稍微偏离正弦谐振时间周期的一半，以实现零电流开关(zcs)。
37.图4所示的时序图，分别示出了开关的输入信号s1和s2以及第一mosfet开关q1和第二mosfet开关q2在其充电和放电状态下的电流波形。如时序图所示，控制信号s1中的开关时序和控制信号s2中的开关时序根据谐振频率分别切换为“on”和“off”。这有助于实现零电流开关(zcs)，如各自的充电和放电所示第一mosfet开关q1和第二mosfet开关q2中的电流。谐振回路中的所得电流示为图中的lr电流。
38.在各个状态之间存在死区时间，在此期间，控制信号s1和s2都处于“关闭”状态，并且电路的所有开关都处于断开状态。在这种情况下，第一组和第二组控制信号s1和s2各自的占空比小于50％。当所有开关关闭时，这个死区时间通常是最小的，以适应电流复位，并且实现零电流开关zcs可以通过设置两组控制信号s1和s2开关时间，大约为谐振回路的正弦谐振周期的一半，并考虑了电路元件中的电阻阻尼，来实现零电流开关。
39.由于开关电容器的电容远高于谐振腔中的谐振电容器的电容，等效串联电容主要由较小的谐振电容器决定。
40.需要说明的是，单个转换开关电容或单个输出开关电容亦可由相同电容值得电容组进行替代。
41.实施例2，如图1-6所示，具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的8-1电源转换拓扑，包括通过导线依次串联并接至输入电源两端的4个的转换开关电容器ci(i为1、2、3。。。4)以及一个输出开关电容器c0，输出开关电容器的下端接地，输出开关电容器的两端连接有输出接口；还包括4个开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)；
42.开关谐振腔转换器，包括输入组件、输出组件、以及连接两者的连接组件，输入组件包括通过导线串联的第一mosfet开关和第二mosfet开关，输出组件包括通过导线串联的第三mosfet开关和第四mosfet开关，连接组件包括通过导线串联的谐振电容和谐振电感，连接组件靠近谐振电容的一端连接在第一mosfet开关和第二mosfet开关之间的导线上，连接组件另一端连接在第三mosfet开关和第四mosfet开关之间的导线上；第一mosfet开关和第三mosfet开关上分别设有第一信号输入端；第二mosfet开关、和第四mosfet开关上分别设有第二信号输入端；第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都为零电流开关。第一mosfet开关和第四mosfet以相同的时间开启和关闭，第二mosfet开关和第三mosfet以相同的时间开启和关闭；且开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)的品质因素q满足：0.1≤q≤10；
43.开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)，中在各个开关事件之间存在死区时间，即第一信号输入端和第二信号输入端都关闭，且第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都处于打开状态的时间。
44.转换开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。输出开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
45.开关谐振腔转换器lj的输入组件的第一mosfet开关和第二mosfet开关分别连接在相对应的各个转换开关电容器ci的两端，开关谐振腔转换器lj的输出组件的第四mosfet开关连接在输出开关电容器c0的下端，开关谐振腔转换器l1的输出组件的第三mosfet开关连接在转换开关电容器c3的上端。开关谐振腔转换器l2、l3、l4的输出组件的第三mosfet开关连接输出开关电容器c0的上端。
46.在初始操作阶段，输入电压被等效地分为5个部分，各自的能量储存在转换开关电容器和输出开关电容中。
47.然后，开关谐振腔转换器l1将存储在c4的能量将通过谐振腔传输到c1、c2、c3和c0。开关谐振腔转换器l2将存储在c3的能量将通过谐振腔传输到c0。开关谐振腔转换器l3将存储在c2的能量将通过谐振腔传输到c0。开关谐振腔转换器l4将存储在c1的能量将通过谐振腔传输到c0。可实现最终从48v到6v比例为8-1的电压转换。
48.实施例3，如图6所示，具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的8-1电源转换拓扑，包括通过导线依次串联并接至输入电源两端的4个的转换开关电容器ci(i为1、2、3、4)以及一个输出开关电容器；输出开关电容器的下端接地，输出开关电容器的两端连接有输出接口；还包括4个开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3、4)，
49.开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)，，包括输入组件、输出组件、以及连接两者的连接组件，输入组件包括通过导线串联的第一mosfet开关和第二mosfet开关，输出组件包括通过导线串联的第三mosfet开关和第四mosfet开关，连接组件包括通过导线串联的谐振电容和谐振电感，连接组件靠近谐振电容的一端连接在第一mosfet开关和第二mosfet开关之间的导线上，连接组件另一端连接在第三mosfet开关和第四mosfet开关之间的导线上；第一mosfet开关和第三mosfet开关上分别设有第一信号输入端；第二mosfet开关、和第四mosfet开关上分别设有第二信号输入端；第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都为零电流开关。第一mosfet开关和第四mosfet以相同的时间开启和关闭，第二mosfet开关和第三mosfet以相同的时间开启和关闭；且开关谐振腔转换器lj
(j为1、2、3。。。4)，的品质因素q满足：0.1≤q≤10；
50.开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)，中在各个开关事件之间存在死区时间，即第一信号输入端和第二信号输入端都关闭，且第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都处于打开状态的时间。
51.转换开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。输出开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
52.开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3、4)的输入组件的第一mosfet开关和第二mosfet开关分别连接在相对应的各个转换开关电容器ci(i为1、2、3、4)的两端，开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3、4)的输出组件的第四mosfet开关连接在输出开关电容器的下端，开关谐振腔转换器l1、l2、l3的输出组件的第三mosfet开关连接在转换开关电容器c2的上端。开关谐振腔转换器l4的输出组件的第三mosfet开关连接在输出开关电容器c0的上端。
53.在初始操作阶段，输入电压被等效地分为5个部分，分别储存在各个转换开关电容和输出开关电容中。
54.然后，开关谐振腔转换器l1将存储在c4的能量将通过谐振腔传输到c1和c0。开关谐振腔转换器l2将存储在c3的能量将通过谐振腔传输到c1和c0。开关谐振腔转换器l3将存储在c2的能量将通过谐振腔传输到c1和c0。开关谐振腔转换器l4将存储在c1的能量将通过谐振腔传输到c0。可实现最终从48v到6v比例为8-1的电压转换。
55.实施例4，如图7所示，具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的2-1电源转换拓扑，包括通过导线依次串联并接至输入电源两端的1个的转换开关电容器c1以及一个输出开关电容器c0；输出开关电容器c0的下端接地，输出开关电容器co的两端连接有输出接口；还包括1个开关谐振腔转换器l1
56.开关谐振腔转换器l1，包括输入组件、输出组件、以及连接两者的连接组件，输入组件包括通过导线串联的第一mosfet开关和第二mosfet开关，输出组件包括通过导线串联的第三mosfet开关和第四mosfet开关，连接组件包括通过导线串联的谐振电容和谐振电感，连接组件靠近谐振电容的一端连接在第一mosfet开关和第二mosfet开关之间的导线上，连接组件另一端连接在第三mosfet开关和第四mosfet开关之间的导线上；第一mosfet开关和第三mosfet开关上分别设有第一信号输入端；第二mosfet开关、和第四mosfet开关上分别设有第二信号输入端；第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都为零电流开关。第一mosfet开关和第四mosfet以相同的时间开启和关闭，第二mosfet开关和第三mosfet以相同的时间开启和关闭；且开关谐振腔转换器l1的品质因素q满足：0.1≤q≤10；
57.开关谐振腔转换器lj(j为1、2、3。。。4)，中在各个开关事件之间存在死区时间，即第一信号输入端和第二信号输入端都关闭，且第一mosfet开关、第二mosfet开关、第三mosfet开关和第四mosfet开关都处于打开状态的时间。
58.转换开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。输出开关电容器的电容值比谐振电容的电容值高一个数量级。
59.关谐振腔转换器l1的输入组件的第一mosfet开关和第二mosfet开关分别连接在转换开关电容器c1的两端，开关谐振腔转换器l1的输出组件的第四mosfet开关连接在输出开关电容器c0的下端，开关谐振腔转换器l1的输出组件的第三mosfet开关连接在输出开关
电容器c0的上端。
60.在初始操作阶段，输入电压被等效地分为2个部分，分别储存在转换开关电容c1和输出开关电容器c0中。能开关谐振腔转换器l1将存储在c1的能量将通过谐振腔传输到c0。可最终实现从48v到24v比例为2-1的电压转换。
61.如图8所示，当电力输送要求超过单个具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑sctc的电力输送能力时，可以使用一种电源转换结构，包括n个并联设置的如上所述的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑sctc。并行具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑sctc架构还可以扩展到需要高电压转换比但不需要电流隔离的各种应用。
62.如图9所示，一种电源转换结构，包含串联在一起的电源转换组件以及负载点转换组件，电源转换组件包括并联设置的多个如上任意项所述的具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑sctc，负载点转换组件包括并联设置的若干负载点转换器pol。具有全波输出整流的多相开关电容谐振腔转换电路的电源转换拓扑sctc接收输入电压并将电压降低到中间总线电压，然后每个负载点转换器pol接收中间总线电压作为输入，并产生相应的输出稳压vout，其电压值取决于负载的电压要求。
63.上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本实用新型；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。