一种基于开关电容的直流变换器的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于开关电容的直流变换器。

背景技术：

boost升压式dc/dc变换器输出电压的极性与输入电压极性相同，输出电压uo与输入电压ui的关系为uo＝ui/(1-d)，d为开关导通占空比，因为d<1，因此有uo>ui。buck降压式dc/dc变换器输出电压的极性与输入电压极性相同，输出电压uo与输入电压ui的关系为uo＝ui·d，因为d<1，因此有uo<ui。为了实现同时可升降压，可采用boost-buck串联结构，将其简化后得到cuk升降压式dc/dc变换器，cuk变换器输出电压的极性与输入电压极性相反，输出电压uo与输入电压ui的关系为uo＝-ui·d/(1-d)，理论上，cuk变换器的占空比足够大或足够小时可以实现很大的变比。但实际应用中由于效率与开关管压力的限制，变换器的占空比通常大于0.2小于0.8，因此在高变比的场合下cuk变换器还不是非常适用。sc开关电容网络有着尺寸小，功率密度高的特点，但是其变比由硬件电路决定，在电压调制方面存在天然的缺陷。

综上所述，如何设计出一款简单灵活的高变比变换器是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于开关电容的直流变换器，在实际应用中可实现较高的变比，其具体方案如下：

本发明提供一种基于开关电容的直流变换器，采用在cuk变换器中嵌入sc电路模块来实现改变调制范围的目的。所述变换器等效成boost电路模块、sc电路模块和buck电路模块；boost电路模块、sc电路模块和buck电路模块依次串联。

所述boost电路模块包括输入电感l1和开关管q1；

所述开关管q1采用n沟道mosfet；

所述电感l1与开关管q1漏极相连并且所连接处连接sc电路模块的输入端；所述电感l1另一端连接boost电路模块输入端，所述开关管q1源极与公共端相连。

所述buck电路模块包括二极管d1、电感l2和电容cn+1；

所述电感l2与二极管d1阳极相连并且所连接处连接sc电路模块的输出端一端，所述电感l2与电容cn+1串联后与二极管d1并联，并且所述电容cn+1与二极管d1所连接处连接sc电路模块的输出端的另一端。

所述sc电路模块包含n个开关电容单元和电容c0，其中，n为正整数；

第n个开关电容单元用开关电容单元n表示；

所述开关电容单元n存在四种结构：结构a、结构b、结构c、结构d；

所述开关电容单元n包括开关管qna、开关管qnb、开关管qnc和电容cn；

所述开关管qna、开关管qnb、开关管qnc均采用n沟道mosfet；

结构a：所述开关管qna的源极与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管qna的漏极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容cn另一端与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关管qnc的源极，所述开关管qnc的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1相同，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1互补；

结构b：所述开关管qna的漏极与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管qna的源极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容cn另一端与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关管qnc的漏极，所述开关管qnc的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1互补，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1相同；

结构c：所述开关管qna的源极与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管qna的漏极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容cn另一端与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关管qnc的源极，所述开关管qnc的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1互补，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1相同；

结构d：所述开关管qna的漏极与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管qna的源极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容cn另一端与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关管qnc的漏极，所述开关管qnc的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1相同，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1互补；

所述sc电路模块结构由直流变换器的主要工作区域决定；

当直流变换器主要工作在降压模式时，sc电路模块中所述电容c0一端与开关管q1漏极相连，所述电容c0的另一端与开关电容单元1的输入端相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...开关电容单元n依次串联且公共端相连，所述开关电容单元n的公共端与二极管d1的阴极相连接，所述开关电容单元n的公共端与二极管d1的阳极相连接；

此时，所述第n个开关电容单元的结构由n和n共同决定；

当n为奇数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构b；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构a；

当n为偶数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构a；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构b；

此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：

当直流变换器主要工作在升压模式时，sc电路模块中所述开关电容单元1一端与开关管q1漏极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...到开关电容单元n依次串联且公共端相连，所述开关电容单元n输出端与电容c0一端相连，所述开关电容单元n公共端与二极管d1阴极相连，所述电容c0另一端与二极管d1阳极相连接；

此时，所述第n个开关电容单元的结构由n决定；

若n为奇数，则开关电容单元n采用结构c；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构d；

此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在可通过增加或者减少开电容单元数量调节增益，从而获得需要的增益值，比现有的变换器更加灵活；sc开关电容电路已经提供了一定的增益，因此我们通过占空比d来控制增益大小将更加准确。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种基于开关电容的直流变换器的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种基于开关电容的直流变换器中的开关电容单元的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种具体的工作在降压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种具体的工作在升压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种具体n＝2工作在降压状态基于开关电容的直流变换器的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的一种具体的基于开关电容的直流变换器在关断状态期间的等效电路图；

图7为本发明实施例公开的一种具体的基于开关电容的直流变换器在开通状态期间的等效电路图；

图8为本发明实施例公开的一种具体的基于开关电容的直流变换器的关键电流电压波形图。

具体实施方式

下面将结合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。

本发明实施例公开了一种基于开关电容的直流变换器，参见图1所示，包括等效boost电路模块、sc电路模块和等效buck电路模块。

所述boost电路模块包括输入电感l1和开关管q1；

所述开关管q1采用n沟道mosfet；

所述电感l1与开关管q1漏极相连并且所连接处连接sc电路模块的输入端；所述电感l1另一端连接boost电路模块输入端，所述开关管q1源极与公共端相连。

所述buck电路模块包括二极管d1、电感l2和电容cn+1；

所述电感l2与二极管d1阳极相连并且所连接处连接sc电路模块的输出端一端，所述电感l2与电容cn+1串联后与二极管d1并联，并且所述电容cn+1与二极管d1所连接处连接sc电路模块的输出端的另一端。

所述sc电路模块包含n个开关电容单元和电容c0，其中，n为正整数；

第n个开关电容单元用开关电容单元n表示；

所述开关电容单元n存在四种结构：结构a、结构b、结构c、结构d，参见图2所示；

所述开关电容单元n包括开关管qna、开关管qnb、开关管qnc和电容cn；

所述开关管qna、开关管qnb、开关管qnc均采用n沟道mosfet；

结构a：所述开关管qna的源极与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管qna的漏极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容cn另一端与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关管qnc的源极，所述开关管qnc的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1相同，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1互补；

结构b：所述开关管qna的漏极与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述开关管qna的源极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述电容cn另一端与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关管qnc的漏极，所述开关管qnc的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1互补，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1相同；

结构c：所述开关管qna的源极与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管qna的漏极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容cn另一端与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关管qnc的源极，所述开关管qnc的漏极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1互补，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1相同；

结构d：所述开关管qna的漏极与开关管qnb的源极相连并且所连接处连接开关电容单元的输出端，所述开关管qna的源极与电容cn一端相连并且所连接处连接开关电容单元的输入端，所述电容cn另一端与开关管qnb的漏极相连并且所连接处连接开关管qnc的漏极，所述开关管qnc的源极连接开关电容单元的公共端,所述开关管qna和开关管qnc的控制信号与开关管q1相同，所述开关管qnb的控制信号与开关管q1互补；

所述sc电路模块结构由直流变换器的主要工作区域决定；

具体的实施例一参见图3所示，当直流变换器主要工作在降压模式时，sc电路模块中所述电容c0一端与开关管q1漏极相连，所述电容c0的另一端与开关电容单元1的输入端相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...开关电容单元n依次串联且公共端相连，所述开关电容单元n的公共端与二极管d1的阴极相连接，所述开关电容单元n的公共端与二极管d1的阳极相连接；

此时，所述第n个开关电容单元的结构由n和n共同决定；

当n为奇数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构b；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构a；

当n为偶数时：若n为奇数，则开关电容单元n采用结构a；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构b；

此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：

具体的实施例二参见图4所示，当直流变换器主要工作在升压模式时，sc电路模块中所述开关电容单元1一端与开关管q1漏极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1公共端与开关管q1源极相连，所述开关电容单元1、开关电容单元2...到开关电容单元n依次串联且公共端相连，所述开关电容单元n输出端与电容c0一端相连，所述开关电容单元n公共端与二极管d1阴极相连，所述电容c0另一端与二极管d1阳极相连接；

此时，所述第n个开关电容单元的结构由n决定；

若n为奇数，则开关电容单元n采用结构c；若n为偶数，则开关电容单元n采用结构d；

此时，所述变换器的输入电压和输出电压的关系为：

进一步的，具体的实施例三参见图5所示，该实施例为n＝2且工作在降压模式的一种具体的基于开关电容的直流变换器。

在本实施例中，ts为开关管q1的工，ton为开通时间，toff为关断时间，ts＝ton+toff，d为导通占空比：

开关管q1在t0～t1阶段关断，t1～t2阶段导通。开关管q1b、开关管q2a、开关管q2c与开关管q1同时导通；开关管q1a、开关管q1c、开关管q2b与开关管q1互补导通。

实施例三中所述的一种具体的基于开关电容的直流变换器的每个工作周期可以根据开关管q1分为开通状态和关断状态，具体如下：

关断状态(t0～t1)：

t0时刻，开关管q1a、开关管q1c、开关管q2b导通，开关管q1b、开关管q2a、开关管q2c关断，此时变换器的等效回路入图6所示，电感l1给电容c0充能，电容c0电压大小逐渐上升；电感l1电流大小逐渐下降；电容c1释放能量，电压逐渐下降；电容c2充能，电压逐渐反向上升；电感l2释放能量，电流反向减小；二极管d1正向导通，导通电流为电容c2电流和电感l2电流之和。

开通状态(t1～t2)：

t1时刻，开关管q1a、开关管q1c、开关管q2b关断，开关管q1b、开关管q2a、开关管q2c开通，此时变换器的等效回路入图7所示，电感l1充能，电流逐渐增大；电容c0释放能量，电压逐渐下降；电容c1充能，电压逐渐上升；电容c2释放能量，电压逐渐反向下降；二极管d1反向截止；电感l2充能，电流反向增加，电感l2电流为电容c0和电容c2之和。

关断状态(t0～t1)期间，电感l1释放能量，电流减小，电感l1的电荷变化量为δql1_off＝-q；电容c0与电感l1串联，电容c0充能，电压上升，电容c0的电荷变化量为δqc0_off＝+q；一个周期内电容c0电荷变化量δqc0_ts＝0，开通状态期间，电容c0的电荷变化量δqc0_on＝-δqc0_off＝-q；开通状态期间，电容c1与电容c0串联，电容c1充能，电压上升，电容c1的电荷变化量为δqc1_on＝-δqc0_on＝+q；一个周期内电容c1电荷变化量δqc1_ts＝0，关断状态期间，电容c1的电荷变化量δqc1_off＝-q；关断状态期间，电容c0所在支路与电容c1所在支路并联后与电容c2串联，电容c2充能，电压上升，电容c2的电荷变化量δqc2_off＝δqc0_off-δqc1_off＝+2q；一个周期内电容c2电荷变化量δqc2_ts＝0，开通状态期间，电容c2的电荷变化量δqc2_on＝-δqc1_off＝-2q；开通状态期间，电容c1所在支路与电容c2所在支路并联后与电感l2串联，电感l2释放能量，电流减小，电感l2的变化量为δql2_on＝δqc2_on-δqc1_on＝-3q；

在开通状态和关断状态期间，电感平均电流不变，电感的电荷变化量与时间成正比；在开通状态期间，电感l1的电荷变化量为：

在关断状态期间，电感l2的电荷变化量为：

一个周期内，电感l1的电荷变化量为:

电感l2的电荷变化量为:

iin为变换器输入电流，iout为输出电流，即从电感l2流入负载rload的电流。

pin为输入功率，pout为输出功率，uin为输入电压，uout为输出电压，稳态时，一个周期内输入功率等于输出功率，pin＝pout。

得到实例三中变换器的输出电压公式：

最后，还需要说明的是，显然，以上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可以获得的所有其他实施例，这些实施例都属于本发明保护的范围。