关电源相比，体积大大减小，重量大大减轻，提高了功率密度。
[0038]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1/2?变比的输出电压U。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l/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1/2?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。
[0039]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。
[0040]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O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l/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、34?_1进行导通控制，此时对功率开关组S2、S4n_2、S4n进行关闭控制。当(1-D) T s为正半周期信号时，假设对功率开关组S2、Sf S4n_2、S4n进彳丁导通控制，此时对功率开关组S 1、S3…S4n_3、一^^进彳丁关闭控制。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。
[0041]本实用新型的具体实施例和工作过程如下:
[0042]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:
[0043]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、S4lri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。
[0044]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(:3充电，直到电流减小为零。电容C1和电容C 2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C jp电容C 2不同的充放电过程，保证了电容C jp电容C2两端电压的平衡。电能由输入电压U i传输给电路，电容C 1、电容C2和电容C 3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Sp 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、S4lri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。
[0045]第二个状态:第一级基本单元电路的功率开关组Sp 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、S4lri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u -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C I和电容C2开始放电，电容C 3充电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C 3通过与电容C1和电容C2不同的充放电过程，保证了电容C i和电容C 2两端电压的平衡。电能由输入电压Ui传输给电路，电容C 1、电容C2和电容C 3电压时刻相同，均等于输入电压u啲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Sp 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_i闭合；第一级基本单元电路的功率开关组S 2、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。
[0046]第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。
[0047]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。
[0048]在整个工作状态中，各个功率开关管的工作频率均为ΙΟΟΚΗζ。
[0049]具体实验结果:
[0050]如图4所示，是输入电压1^与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压U。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U。进行三分压后，实现1/2变比的实验结果。
[0051]如图5所示，是输入电压11占220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压U。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U。进行三分压后，实现1/4变比的实验结果。
[0052]如图6所示，是输入电压1^与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压U。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U。进行三分压后，实现1/8变比的实验结果。
[0053]如图7所示，是输入电压+与220V的50Hz市电连接，接入到一级基本单元电路，输出电压U。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U。进行三分压后，实现1/16变比的实验结果。
[0054]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l/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。
[0055]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宄价值。
[0056]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。
【主权项】
1.一种实现l/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l/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l/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l/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l/2n。
4.根据权利要求1所述的一种实现l/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l/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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02M5-22, H02M5-08, H02M5-293
【公开号】CN204538976
【申请号】CN201520255006
【发明人】由甲川, 蔡慧, 包莅庭, 陈卫民, 汪伟
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月26日