混合功率变换器及其控制方法与流程

本发明涉及功率变换器，更具体地，涉及电感器和电容器二者作为储能元件的混合功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、功率变换器是将输入电压波形转换成期望的输出电压或输出电流的功率模块。功率变换器包括开关元件和储能元件，开关元件根据控制信号周期性地导通和断开，储能元件则相应地储存电能和释放电能，从而在功率变换器的输出端提供输出电压信号。

2、在采用电感作为储能元件的功率变换器中，采用反馈环路调节控制信号的占空比，可以获得大致恒定的输出电压或输出电流，采用调节元件调节控制信号的占空比，可以调节输出电压或输出电流的值。在电容作为储能元件的功率变换器中，开关元件的导通时间和关断时间大于充电时间常数和放电时间常数，在稳态下获得与输入电压成固定比例的输出电压。与采用电感的功率变换器相比，采用开关电容拓扑的功率变换器具有电容尺寸小、电路转换效率和功率密度高、开关元件电压应力低的优点，但存在着难以灵活调节输出电压、开关元件数量多、控制电路设计困难的缺点。

3、因此，需要开发出新型的混合功率变换器电路，兼顾传统的电感和采用电容的功率变换器的优点，从而提供高转换效率、高功率密度的功率解决方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种混合功率变换器，其中，将电感器和电容器二者作为储能元件，采用多个开关元件周期性地改变所述多个电容器的连接路径，使得所述电感器和所述多个电容器进行充电和放电以获得在预定电压范围内可以调节的输出电压。

2、根据本发明实施例的一方面，提供了一种混合功率变换器，包括：连接到所述混合功率变换器的第一端的第一组开关元件和第二组开关元件；连接到所述第一组开关元件的第一电容器；连接到所述第一组开关元件和所述第二组开关元件的中间节点及所述第二组开关元件的第二电容器；连接到所述第二组开关元件及地的第三电容器；以及连接到所述第二组开关元件及所述混合功率变换器的第二端的电感器，其中，所述第一组开关元件和所述第二组开关元件配置为周期性切换第一至第三电容器及所述电感器的连接路径，使得所述第一至第三电容器进行充电和放电及所述电感器进行充磁和退磁，从而将输入电压转换为期望的输出电压。

3、可选的，所述混合功率变换器在每个开关周期中包括4个操作阶段。

4、可选的，在开关周期的第一操作阶段，所述第一组开关元件将所述第一电容器、所述第二电容器及所述电感器串联在所述混合功率变换器的第一端和第二端之间，所述第二组开关元件将所述第三电容器和所述电感器并联，在开关周期的第二操作阶段，所述第二组开关元件将所述第二电容器和所述第三电容器并联，在开关周期的第三操作阶段，所述第一组开关元件将所述第二电容器与所述电感器串联之后与所述第一电容器并联，所述第二组开关元件将所述第三电容器与所述电感器并联，在开关周期的第四操作阶段，所述第二组开关元件将所述第二电容器和所述第三电容器并联。

5、可选的，所述第一组开关元件包括串联连接的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件，所述第二组开关元件包括串联连接的第五开关元件、第六开关元件及第七开关元件。

6、可选的，所述第一电容器与所述第一开关元件和第二开关元件之间的第一节点及所述第三开关元件和所述第四开关元件之间的第二节点连接，所述第二电容器与所述中间节点及所述第六开关元件和所述第七开关元件中间的第四节点连接，所述第三电容器与所述第五开关元件和所述第六开关元件之间的第三节点及所述地连接，所述电感器与所述第四节点连接。

7、可选的，所述第一组开关元件配置为受控于第一组控制信号而导通和关断，其中，所述第一组控制信号包括第一控制信号和第二控制信号，所述第一开关元件和所述第三开关元件的控制端用于接收所述第一控制信号，所述第二开关元件和所述第四开关元件的控制端用于接收所述第二控制信号。

8、可选的，所述第一控制信号和所述第二控制信号为具有所述开关周期的信号，且所述第一控制信号与所述第二控制信号之间具有180°的相位差。

9、可选的，所述第二组开关元件配置为受控于第二组控制信号而导通和关断，其中，所述第二组控制信号包括第三控制信号和第四控制信号，所述第五开关元件和所述第七开关元件的控制端用于接收所述第三控制信号，所述第六开关元件的控制端用于接收所述第四控制信号。

10、可选的，所述第三控制信号和所述第四控制信号为具有1/2所述开关周期的互补信号。

11、可选的，所述第四控制信号为所述第一控制信号和所述第二控制信号通过或逻辑运算而产生的。

12、可选的，所述混合功率变换器还包括：输出电容器，连接于所述混合功率变换器的第二端和地之间。

13、可选的，所述混合功率变换器的第一端作为输入端以接收所述输入电压，所述混合功率变换器的第二端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器作为降压变换器工作。

14、根据本发明实施例的另一方面，提供了一种用于上述实施例的混合功率变换器的控制方法，所述混合功率变换器包括电感器及多个电容器，其中，所述控制方法包括：将所述多个电容器中的第一电容器、第二电容器及电感器串联连接在混合功率变换器的输入端和输出端之间，将第三电容器与所述电感器并联，以通过第一电容器和第二电容器将输入电压降压后的电压对所述电感器进行充磁，以及通过所述第三电容器对所述电感器进行充磁；将所述第二电容器与所述第三电容器并联，以平衡所述第二电容器和所述第三电容器的电荷，以及通过所述电感器退磁对输出电容器进行充电；将所述第二电容器与所述电感器串联之后与所述第一电容器并联，将所述第三电容器与所述电感器并联，以通过所述第一电容器对所述第二电容器和所述电感器进行充磁，以及通过所述第三电容器对所述电感器进行充磁；以及将所述第二电容器和第三电容器并联连接，以平衡所述第二电容器和所述第三电容器的电荷，以及通过所述电感器退磁对输出电容器进行充电。

15、根据上述实施例的混合功率变换器，采用电感器和电容器作为储能元件，与传统的采用电感器的功率变换器相比，在一个开关周期内，开关元件导通或关断时施加到电感器的伏秒乘积大幅减小，即使采用小尺寸的电感器也可以达到很高的转换效率。因此，该混合功率变换器可以减小电感器的尺寸以实现小型化。

16、根据上述实施例的混合功率变换器，将开关电容电路和开关电感电路整合在一起，与传统的采用多级开关电容电路和开关电感电路的混合功率变换器相比，可以大大减少开关元件和电容器的数量，降低了电路的成本和功率损耗，可以大大提高电路的功率密度。

17、根据上述实施例的混合功率变换器，在电容器的充放电路径上加入电感器进行限流，与传统的混合功率变换器相比，可以减小电容电荷再分配时的功率损耗，进一步提高混合功率变换器的功率密度和转换效率。

技术特征：

1.一种混合功率变换器，包括：

2.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器在每个开关周期中包括4个操作阶段。

3.根据权利要求2所述的混合功率变换器，其中，

4.根据权利要求3所述的混合功率变换器，其中，

5.根据权利要求4所述的混合功率变换器，其中，

6.根据权利要求5所述的混合功率变换器，其中，所述第一组开关元件配置为受控于第一组控制信号而导通和关断，

7.根据权利要求6所述的混合功率变换器，其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号为具有所述开关周期的信号，且所述第一控制信号与所述第二控制信号之间具有180°的相位差。

8.根据权利要求7所述的混合功率变换器，其中，所述第二组开关元件配置为受控于第二组控制信号而导通和关断，

9.根据权利要求8所述的混合功率变换器，其中，所述第三控制信号和所述第四控制信号为具有1/2所述开关周期的互补信号。

10.根据权利要求9所述的混合功率变换器，其中，所述第四控制信号为所述第一控制信号和所述第二控制信号通过或逻辑运算而产生的。

11.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，还包括：

12.根据权利要求1所述的混合功率变换器，其中，所述混合功率变换器的第一端作为输入端以接收所述输入电压，所述混合功率变换器的第二端作为输出端以提供所述输出电压，所述混合功率变换器作为降压变换器工作。

13.一种用于权利要求1-12任一项所述的混合功率变换器的控制方法，所述混合功率变换器包括电感器及多个电容器，

技术总结
本申请公开了混合功率变换器及其控制方法。该混合功率变换器包括：连接到混合功率变换器的第一端的第一组开关元件和第二组开关元件；连接到第一组开关元件的第一电容器；连接到第一组开关元件和第二组开关元件的中间节点及第二组开关元件的第二电容器；连接到第二组开关元件及地的第三电容器；以及连接到第二组开关元件及混合功率变换器的第二端的电感器，其中，第一组开关元件和第二组开关元件配置为周期性切换第一至第三电容器及电感器的连接路径，使得第一至第三电容器及电感器进行充电和放电，从而将输入电压转换为期望的输出电压。该混合功率变换器可以提高电路的输出电压调节能力、实现电路小型化以及提高电路的转换效率。

技术研发人员：王发刚
受保护的技术使用者：王发刚
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16