开关电容耦合电感转换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种开关电容耦合电感转换器及其控制方法。

背景技术：

1、现阶段，在降压大电流输出直流电源转换系统中，常采用混合开关电容变换电路，如图1所示(来源于cn111416516 a混合开关电容转换器)。混合开关电容变换电路有着许多优势，如低开关损耗和较小的开关管电流应力。因此，这种变换器能够以较高的开关频率(从几百千赫兹到几兆赫兹)运行，从而显著减小了变换器所需的磁性元件的体积，大幅提升了功率密度。

2、然而，对于图1所示的电路，虽然它可以通过改变变压器的匝数比来实现电压变比的灵活调整，但该电路的变压器具有两个原边绕组和两个副边绕组，这导致了复杂的多绕组耦合关系和高频电流回路，给变压器的设计带来了巨大挑战。这在一定程度上限制了变换器效率和功率密度的提升。此外，由于它是定频谐振变换器，如果要使该拓扑正常工作，则必须给与占空比50％的定频方波，使得变换器恰好工作在谐振状态，所以该变换器一经设计完成(如变压器匝比，谐振电容和变压器漏感，谐振频率设计)，状态便已经确定，无法通过外部信号来改变工作状态，功能单一，只能实现固定的转换比，如果要实现不同的转换比，则要更改硬件电路，这在数据中心应用中是巨大缺陷，因为在此应用场景中要实现输出端的稳压，即无论输入和负载如何变化，要保持输出的近似恒定，所以要求通过软件控制实时调压而不操作硬件电路，而此电路无法通过占空比控制来实现输出的可调节性。

3、因此，如何发展一种可改善上述现有技术的电源转换系统，实为目前迫切的需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种开关电容耦合电感转换器，该开关电容耦合电感转换器可灵活实现x:1直流电压变比，其中x为大于等于2的任意数值，该开关电容耦合电感转换器输出纹波低、动态响应速率和功率密度高，适合应用于数据中心、车载中的母线变换器等。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种开关电容耦合电感转换器，包括输入正极接口、输入负极接口、输出正极接口、输出负极接口、变换器、并联在输入正极接口、输入负极接口之间的近端功率变换单元和远端功率变换单元，输出正极接口、输出负极接口间设有输出电容；近端功率变换单元包括串联的近端第一功率开关件q1、近端第二功率开关件q4、近端第三功率开关件q5，远端功率变换单元包括串联的远端第一功率开关件q2、远端第二功率开关件q3、远端第三功率开关件q6，所述变换器包含两个耦合电感l1、l2，两个耦合电感匝数相同；

3、一个变换器耦合电感l1的异名端与另一个变换器耦合电感l2的同名端相连，且该变换器耦合电感l1的同名端连接到近端第二功率开关件q4和近端第三功率开关件q5之间,另一个变换器耦合电感l2的异名端连接到远端第二功率开关件q3和远端第三功率开关件q6之间；

4、近端功率变换单元的近端第一功率开关件q1、近端第二功率开关件q4之间节点与远端功率变换单元的远端第二功率开关件q3的接地端节点间通过导线架设有电容c1；

5、近端功率变换单元的近端第二功率开关件q4的接地端节点与远端功率变换单元的远端第一功率开关件q2、远端第二功率开关件q3之间节点通过导线架设有电容c2；电容c1与电容c2相等；

6、两个耦合电感l1、l2之间的连线上连接输出正极端口，输出负极端口通过接线与输入负极端口相连，输出负极端口与输入负极端口间的接线还连接有接地线。

7、作为一种优选的方案，所述两个耦合电感l1、l2绕制在同一磁芯柱上。

8、本开关电容耦合电感转换器的有益效果是：

9、本技术方案可灵活实现x:1直流电压变比，其中x为大于等于2的任意数值，所提变换器可通过改变驱动信号的占空比来控制输出电压，无需变动硬件电路即可实现实时调压，例如想实现8：1的转换比，则可以通过控制器将占空比改为25％，即可实现。如想实现16：1的转换比，则将占空比改为12.5％。不同于其他相似变换器，对于负载突变也有更好的反应能力，这是因为引入了反向耦合电感，在负载突变时电路的等效电感降低，电流变化速率增大，可以更快地匹配输出所需电流，实现更小的输出电压波动。此外，反向耦合电感增大了稳态时的等效电感，显著降低了电流纹波，极大地提升了变换器的效率，发热更少，损耗更少，对整个系统的热设计也提供了极大便利，使得本技术方案在数据中心48v母线变换器和车载48v母线变换器应用领域具备明显优势。

10、将两个耦合电感集成到同一磁芯上，节约了板上空间，且可以极大地提升系统的功率密度。

11、本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种开关电容耦合电感转换器的控制方法，可灵活实现x:1直流电压变比，其中x为大于等于4的任意数值，该开关电容耦合电感转换器输出纹波低、动态响应速率和功率密度高，使得开关电容耦合电感转换器适合应用于数据中心、车载中的母线变换器等。

12、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种如上所述的开关电容耦合电感转换器的控制方法，所述近端第一功率开关件q1、远端第二功率开关件q3、近端第三功率开关件q5，由控制信号一控制同时开通及关断，远端第一功率开关件q2、近端第二功率开关件q4、远端第三功率开关件q6由控制信号二控制同时开通及关断，控制信号一和控制信号二错相180度。

13、本开关电容耦合电感转换器的控制方法的有益效果是：

14、本控制方法可使开关电容耦合电感转换器灵活实现x:1直流电压变比，其中x为大于等于4的任意数值，所提变换器可通过改变驱动信号的占空比来控制输出电压，无需变动硬件电路即可实现实时调压，例如想实现8：1的转换比，则可以通过控制器将占空比改为25％，即可实现。如想实现16：1的转换比，则将占空比改为12.5％。不同于其他相似变换器，对于负载突变也有更好的反应能力，这是因为引入了反向耦合电感，在负载突变时电路的等效电感降低，电流变化速率增大，可以更快地匹配输出所需电流，实现更小的输出电压波动。此外，反向耦合电感增大了稳态时的等效电感，显著降低了电流纹波，极大地提升了变换器的效率，发热更少，损耗更少，对整个系统的热设计也提供了极大便利，同时耦合电感将两个分离电感集成到同一磁芯上，节约了板上空间，极大地提升了系统的功率密度，使得本技术方案在数据中心48v母线变换器和车载48v母线变换器应用领域具备明显优势。

15、本发明又一个所要解决的技术问题是：提供一种开关电容耦合电感转换器的控制方法，使其占空比d>0.5，这从而使得转换器的转换比可以实现例如1：3和1：2等可变转换比。

16、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种如上所述的开关电容耦合电感转换器的控制方法，所述远端第二功率开关件q3、近端第三功率开关件q5，由控制信号一控制其开通及关断，所述近端第二功率开关件q4、远端第三功率开关件q6由控制信号二控制其开通及关断，控制信号一与控制信号二相互错相180度；且所述近端第一功率开关件q1与所述近端第二功率开关件q4、远端第三功率开关件q6的控制信号二互补控制功率开关动作，所述远端第一功率开关件q2与所述远端第二功率开关件q3、近端第三功率开关件q5的控制信号一互补控制功率开关动作。

17、本开关电容耦合电感转换器控制方法的有益效果是：

18、本方法经过时序调整，实现了占空比的突破，占空比d范围为d>0.5，这完全弥补了传统控制方法m<0.25的不足，使得转换器的转换比可以实现例如1：3和1：2等可变转换比。例如：在典型的40-60v转12v需求12v稳压场景下，在40v输入时，采用传统控制方法，占空比即使取最大0.5，所得转换比也仅为1/4，即输出最高是10v，无法达到所需的12v输出电压；在相同应用场景下，采用本方法占空比此时可以采用0.6，即可实现12v输出，满足转换需求。