宽变换范围谐振开关电容DC/DC变换器的制作方法

本申请涉及直流电源变换电路领域，尤其涉及一种宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器。

背景技术：

1、随电力电子器件、拓扑和控制技术的发展与提升，宽范围dc/dc变换器在数据中心、直流配电网、电动汽车、pc机微处理器及小功率便携式设备等场合中的应用日益广泛，如何有效提升宽范围dc/dc变换器的效率、功率密度及集成度等成为亟需解决的难题。光伏发电、燃料电池、风力发电等新型能源均需经过dc/ac逆变后才能接入交流电网，蓄电池、超级电容等储能设备也需经过逆变才能接入交流电网。同时，直流负荷也已在生活及工业各领域得到普遍应用，如办公设备、家用电器、轨道交通、信息通信、电动汽车等均可采用直流供电。因此采用直流配电网可省去发电侧和用电侧的直流与交流间的变换环节，降低电能损耗，提高能源利用率。现有建筑直流供配电系统采用四层母线结构，层级间的电压变换及各层级的设备接入主要利用dc/dc变换器实现，其中涉及到电压跨度大的场合需要利用宽范围dc/dc变换器实现。

2、传统宽范围dc/dc变换器均是以电感作为储能转换元件，电感体积较大、重量较重，且其整体性能与磁芯和绕线方式有密切关系。且宽范围dc/dc变换器中隔离型和耦合电感型均存在漏感问题，开关电感/开关电容型虽有单元化结构但都是硬开关动作，而谐振开关电容型不仅具有单元化结构且能实现软开关，有实现高效、小型、轻量的能力。现有宽范围谐振开关电容dc/dc变换器大多认为电路均工作于理想谐振工况，该拓扑的电压变换范围的拓展大多采用同一结构的级联，电压增益的调节取决于拓扑结构和工作模式，且调压能力有一定局限性，这都严重制约着该方案的实用化。

技术实现思路

1、本申请正是为了解决上述技术问题而设计的一种宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器。

2、本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述变换器包括两个相同的谐振开关电容基本单元，分别是基本单元一和基本单元二，三个开关管s1、s2和s3，和时序控制电路；

4、输入电源vi正极与所述开关管s1集电极相连，开关管s1发射极与开关管s2集电极相连，开关管s2发射极与开关管s3集电极相连，开关管s3发射极连接滤波电容co正极和输出电源vo正极；输入电源vi负极连接滤波电容co负极和输出电源vo负极；

5、二极管da阴极与开关管s2发射极相连，二极管da阳极与二极管db阴极相连，二极管db阳极与输入电源vi负极相连；二极管dc阴极与开关管s3发射极相连，二极管dc阳极与二极管dd阴极相连，二极管dd阳极与输入电源vi负极相连；

6、所述基本单元一的正极连接点与开关管s1发射极相连，基本单元一的负极连接点与二极管da阳极相连；所述基本单元二的正极连接点与开关管s2发射极相连，基本单元二的负极连接点与二极管dc阳极相连；

7、三个开关管s1、s2和s3的基极分别连接时序控制电路的三个控制端。

8、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述谐振开关电容基本单元包括正极连接点和负极连接点，其中，谐振开关电容基本单元的正极连接点与电容c1正极相连，电容c1负极通过电感lr1与二极管d1阴极相连，二极管d1阳极与谐振开关电容基本单元的负极连接点相连；同时，谐振开关电容基本单元的正极连接点与二极管d2阴极相连，二极管d2阳极与电容c2正极相连，电容c2负极通过电感lr2与谐振开关电容基本单元的负极连接点相连；二极管d12阳极与二极管d1阴极相连，二极管d12阴极与二极管d2阳极相连。

9、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述时序控制电路控制开关管s1和s3同步开或关，并与开关管s2开或关相反，使变换器工作在互补模式。

10、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述变换器工作在互补模式，控制开关管s1与s3动作相同并与s2互补，占空比各占1/2，输出电压与输入电压之比vo/vi，即电压增益m＝1/7。

11、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述时序控制电路控制开关管s1、s2和s3交错导通，使变换器工作在移相模式。

12、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述时序控制电路控制开关管s1、s2和s3交错导通，占空比各占1/3，输出电压与输入电压之比vo/vi，即电压增益m＝1/9。

13、所述宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，所述二极管d1、二极管d2和二极管d12均为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

14、传统的谐振开关电容变换器，通过电容电感谐振可实现零电压开关，采用调频方式进行电压调节，但该变换器中只有一组谐振参数，其它电容容值需较大才能避免电流尖峰。多级模块化开关电容变换器使用多组谐振参数，并具有模块化结构，便于级联，但过多的级联数将降低系统稳定性。飞跨电容多级变换器采用与飞跨电容型dc/ac逆变器类似的拓扑结构，嵌入谐振电感并以移相方式对主开关管分配占空比，但应用于高频工况时会对开关器件性能提出更严苛的要求。另外，传统的谐振开关电容开关损耗大且功率密度低。

15、本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

16、(1)谐振开关电容的串并联切换可实现宽降压比变换，而电容电感在各阶段完成半周期谐振使开关器件实现zcs动作，大大减小开关损耗；

17、(2)互补模式下相邻开关管占空比互补，并各占1/2，电压增益可为1/7；移相模式下各开关管占空比以1/3移相分配，电压增益可达1/9，提高了功率密度；

18、(3)两种模式的参数设计均需满足各阶段持续时间大于等于谐振时间，并可以电容电压纹波为首要设计指标，同时具备低器件应力。

技术特征：

1.一种宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述变换器包括两个相同的谐振开关电容基本单元，分别是基本单元一和基本单元二，三个开关管s1、s2和s3，和时序控制电路；

2.根据权利要求1所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述谐振开关电容基本单元包括正极连接点和负极连接点，其中，谐振开关电容基本单元的正极连接点与电容c1正极相连，电容c1负极通过电感lr1与二极管d1阴极相连，二极管d1阳极与谐振开关电容基本单元的负极连接点相连；同时，谐振开关电容基本单元的正极连接点与二极管d2阴极相连，二极管d2阳极与电容c2正极相连，电容c2负极通过电感lr2与谐振开关电容基本单元的负极连接点相连；二极管d12阳极与二极管d1阴极相连，二极管d12阴极与二极管d2阳极相连。

3.根据权利要求1所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述时序控制电路控制开关管s1和s3同步开或关，并与开关管s2开或关相反，使变换器工作在互补模式。

4. 根据权利要求3所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述变换器工作在互补模式，控制开关管s1与s3动作相同并与s2互补，占空比各占1/2，输出电压与输入电压之比vo/vi =1/7。

5.根据权利要求1所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述时序控制电路控制开关管s1、s2和s3交错导通，使变换器工作在移相模式。

6. 根据权利要求5所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述时序控制电路控制开关管s1、s2和s3交错导通，占空比各占1/3，输出电压与输入电压之比vo/vi=1/9。

7.根据权利要求2所述的宽变换范围谐振开关电容dc/dc变换器，其特征在于：所述二极管d1、二极管d2和二极管d12均为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

技术总结
本申请公开了一种宽变换范围谐振开关电容DC/DC变换器，所述变换器包括两个相同的谐振开关电容基本单元，分别是基本单元一和基本单元二，三个开关管S<subgt;1</subgt;、S<subgt;2</subgt;和S<subgt;3</subgt;，和时序控制电路；通过时序控制电路分别控制三个开关管S<subgt;1</subgt;、S<subgt;2</subgt;和S<subgt;3</subgt;的开与关，使两个相同的谐振开关电容基本单元可工作在互补模式或移相模式；本发明的有益效果：通过谐振开关电容的串并联切换实现宽降压比变换，且减小开关损耗；在互补模式下相邻开关管占空比互补，并各占1/2，电压增益可为1/7；在移相模式下各开关管占空比以1/3移相分配，电压增益可达1/9，提高了功率密度。

技术研发人员：黎明,刘海波,姚春丰,姜德刚,逯宏坤,刘颖,蒋晓静,宋立伟
受保护的技术使用者：航天长峰朝阳电源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16