一种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流?交流变换器，包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂通过启动电阻相连接,可以减少磁性元件从而使开关电源小型化，并且结构简单、控制简便、成本低廉。
【专利说明】
一种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器
技术领域
[0001] 本发明涉及交流-交流变换器领域，特别是涉及一种固定变比的双桥臂切换开关 电容型交流-交流变换器。
【背景技术】
[0002] 开关电容(Switched-Capacitor，SC)变换器采用功率开关以及电容网络来实现电 压等级的变换。工作时，开关电容变换器通过功率开关的开通和关断控制电容元件的充放 电时间，从而实现电压变换，改变电容与功率开关的拓扑结构可以实现许多不同变比的电 路。小型化是开关电源领域的发展趋势之一，其关键在于减少磁性元件（电感或变压器）的 体积和重量。采用软开关技术可将开关电源开关工作频率的大大提高，从而减小了开关电 源的体积，但是进一步提高开关频率受到了器件特性的限制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种固定变比的双桥臂切换开关型AC-AC变换器，可以减少 磁性元件从而使开关电源小型化，并且结构简单、控制简便、成本低廉。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] -种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征在于，包括第一 桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂通过启动电阻相连接。
[0006] 可选的，所述第一桥臂包括N个功率开关管，所述功率开关管的源极与相邻的功率 开关管的漏极相连，所述第一桥臂的第一个功率开关管的漏极与启动电阻相连，所述启动 电阻的另一端与输入电压正极相连，所述第一桥臂的第N个功率开关管的源极直接接地;所 述第一桥臂中的第i个功率开关管的漏极与第i+Ι个功率开关管的源极之间跨接一颗电容， 其中1 = 1，2"_，^1小为偶数。
[0007] 可选的，所述第二桥臂与所述第一桥臂具有相同的结构，所述第二桥臂包括N个功 率开关管，所述功率开关管的源极与相邻的功率开关管的漏极相连，所述第二桥臂的第一 个功率开关管的漏极与输入电压的负极相连，所述第二桥臂的第N个功率开关管的源极直 接接地;所述第二桥臂中的第i个功率开关管的漏极与第i+Ι个功率开关管的源极之间跨接 一颗电容，其中1 = 1，2~，^14为偶数。
[0008] 可选的，所述第一桥臂的第Μ个功率开关管的源极与所述第二桥臂的第Μ个功率开 关管的源极之间的电压为所述输入电压的1-#倍，其中，Μ=2,4，···，Ν_2，Ν为偶数。
[0009] 可选的，所述功率开关管由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与所述功率 开关管的栅极连接。
[0010] 本发明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，实现了输入输出电压的固定变比为ι/N或Ν，由于不含磁性元件，降低了 变换器的体积与重量，提高了功率密度。
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
[0012]图1为本发明实施例实现1/3变比的电路拓扑图；
[0013] 图2为本发明变换器在一个周期内的工作状态图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015] 本发明的目的是提供一种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器， 其特征在于，包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂通过启动电阻相连 接。
[0016] 可选的，所述第一桥臂包括N个功率开关管，所述功率开关管的源极与相邻的功率 开关管的漏极相连，所述第一桥臂的第一个功率开关管的漏极与启动电阻相连，所述启动 电阻的另一端与输入电压正极相连，所述第一桥臂的第N个功率开关管的源极直接接地;所 述第一桥臂中的第i个功率开关管的漏极与第i+Ι个功率开关管的源极极之间跨接一颗电 容，其中1 = 1，2'"，14为偶数。
[0017] 可选的，所述第二桥臂与所述第一桥臂具有相同的结构，所述第二桥臂包括N个功 率开关管，所述功率开关管的源极与相邻的功率开关管的漏极相连，所述第二桥臂的第一 个功率开关管的漏极与输入电压的负极相连，所述第二桥臂的第N个功率开关管的源极直 接接地;所述第二桥臂中的第i个功率开关管的漏极与第i+Ι个功率开关管的源极之间跨接 一颗电容，其中1 = 1，2~，^14为偶数。
[0018] 可选的，所述第一桥臂的第Μ个功率开关管的源极与所述第二桥臂的第Μ个功率开 关管的源极之间的电压为所述输入电压的倍，其中Μ=2,4，···，Ν-2，Ν为偶数。 Ν
[0019] 可选的，所述功率开关管由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与所述功率 开关管的栅极连接。
[0020] 实施例：
[0021 ]以实现输入电压输出电压变比为1/3或3为例进行说明。
[0022]图1为固定变比为1/3或3的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器的电路拓扑 图，如图1所示，
[0023]第一桥臂包括6个功率开关管，分别为Si，S2，S3，S4，S5，S6，上述6个功率开关管的源 极与相邻的功率开关管的漏极相连，Si与启动电阻Rqd相连，Rqd另一端与输入电压Ui相连，S6 源极直接接地;Sl·的漏极与5 2的源极之间跨接电容(：3,52的漏极与S3的源极之间跨接电容&， S3的漏极与S4的源极之间跨接电容C4，S4的漏极与35的源极之间跨接电容C2，Sd^漏极与S 6的 源极之间跨接电容C5。
[0024] 第二桥臂包括6个功率开关管，分别为37,38,39,31〇,311，312，上述6个功率开关管的 源极与相邻的功率开关管的漏极相连，S 7的漏极与输入电压仏相连，S12源极直接接地;S7的 漏极与S8的源极之间跨接电容C 8，S8的漏极与S9的源极之间跨接电容C6，S9的漏极与S 1Q的源 极之间跨接电容C9，S1Q的漏极与Sn的源极之间跨接电容C7，Sn的漏极与S 12的源极之间跨接 电容Cio。
[0025] 当变换器的电路拓扑为降压变换器时，输入端位于a、b之间，e、f两点间的输出电 压为输入电压的1/3;当变换器的电路拓扑为升压变换器时，输入端位于e、f之间，变换后电 路拓扑的a、b两点间的输出电压为输入电压的3倍，
[0026] 由于电路拓扑中电容的存在，突然将电源电压直接加在串联的电容上时易出现很 大的暂态电流，为保证变换器电路拓扑的安全运行，在接通电源时先串联一定的电阻，延时 后再短路这个电阻，从而达到限制暂态电流的目的。
[0027]电路的工作过程如下：
[0028]当输入电压m的输入端与a，b相联时，电容(^确保电容C3和C4两端的电压平衡，电 容(：2确保电容C4和(：5两端的电压平衡，电容C6确保电容C 8和C9两端的电压平衡，电容C7确保 电容Cg和Cio两端的电压平衡。
[0029]驱动电路提供驱动各功率开关管的PWM信号，如图2所示。PWM信号周期为Ts，信号 占空比为D。在一个开关周期内，DTS为正半周期信号，功率开关Si，S3，S5，S7，S 9，Sn开通，其余 开关关断；（l-D)Ts为负半周期信号，功率开关&，54,5 6,58,51()，&2开通，其余开关关断。通常 米用占空比0.5，以实现最尚的效率。
[0030]在图2所示的ΠΜ信号驱动下，本变换器在一个开关周期内有两种工作状态，以输 入电压正半周期为例，仅左桥臂中的电容进行充放电，工作状态描述如下：
[0031 ] 第一个状态:功率开关Si，S3，S5，S7，S9，Sll开通，功率开关S2，S4，S6，S8，SlQ，Sl2关断； 在这种状态下，电容Cl，C2保持充电，电容C3，C4，C5首先进行放电，直到电流减小为0 ;此后电 容C3，C4，(：5开始充电，直到这个状态结束。在这个状态结束时，功率开关Si，S 3，S5，S7，S9，Sn 关断，S2，S4，S6，S8，SlO，Sl2开通。
[0032] 第二个状态:功率开关S2，S4，S6，Ss，Sio，Si2开通，功率开关Si，S3，S5，S7，S9，Sn关断； 在这种状态下，电容C 6，C7保持充电，电容Cs，C9，CiQ首先进行放电，直到电流减小为0;此后电 容C 8，C9，C1Q开始充电，直到这个状态结束。在这个状态结束时，功率开关S 2，S4，S6，S8，S1Q，S12 关断，31，33,35,37,39,3 11开通。
[0033] 第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。
[0034] 在输入电压m的负半周期中，本变换器与正半周期有着相似的工作状态，只是电 流方向相反，仅右桥臂电路中的电容进行充放电。
[0035] 变换器中所有电容在其充放电的工作周期内两端电压等于输入电压m的1/3,且 不含有直流分量。因此将输出端接在e，f端，可以获得1/3的变比。
[0036] 将输入电压m的输入端与输出的负载两端对调，即可获得3变比。
[0037] 本实施例包括十个电容和分置于两个桥臂上的十二个功率开关组，每一桥臂上的 六个功率开关依次串联。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，实现了输入输出电压的固定变比为1/3或3,由于不含磁性元件， 降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度。
[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0039] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说 明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据 本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不 应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征在于，包括第一桥 臂和第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂通过启动电阻相连接。2. 根据权利要求1所述的固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征 在于，所述第一桥臂包括N个功率开关管，所述功率开关管的源极与相邻的功率开关管的漏 极相连，所述第一桥臂的第一个功率开关管的漏极与启动电阻相连，所述启动电阻的另一 端与输入电压正极相连，所述第一桥臂的第N个功率开关管的源极直接接地;所述第一桥臂 中的第i个功率开关管的漏极与第i+Ι个功率开关管的源极极之间跨接一颗电容，其中i = 1，2···，Ν-1，Ν 为偶数。3. 根据权利要求1所述的固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征 在于，所述第二桥臂与所述第一桥臂具有相同的结构，所述第二桥臂包括N个功率开关管， 所述功率开关管的源极与相邻的功率开关管的漏极相连，所述第二桥臂的第一个功率开关 管的漏极与输入电压相连，所述第二桥臂的第N个功率开关管的源极直接接地;所述第二桥 臂中的第i个功率开关管的漏极与第i + Ι个功率开关管的源极之间跨接一颗电容，其中i = 1，2···，Ν-1，Ν 为偶数。4. 根据权利要求1所述的固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征 在于，所述第一桥臂的第M个功率开关管的源极与所述第二桥臂的第M个功率开关管的源极 之间的电压为所述输入电压的，其中M=2，4，…，Ν-2，N为偶数。5. 根据权利要求1所述的固定变比的双桥臂切换开关电容型交流-交流变换器，其特征 在于，所述功率开关管由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与所述功率开关管的栅 极连接。
【文档编号】H02M5/293GK105932884SQ201610503259
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】蔡慧
【申请人】中国计量大学