CN101521459B

CN101521459B - 谐振开关电容直流电压变换器

Info

Publication number: CN101521459B
Application number: CN2008100823592A
Authority: CN
Inventors: 郑家伟; 何濠辉; 丁凯
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: CN101521459A

Abstract

本发明为一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中，第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间。与传统的开关电容直流电压变换器相比，本发明的优点在于降低了复杂性、损耗和成本，提高了速度，且避免了局限性。

Description

谐振开关电容直流电压变换器

技术领域

本发明涉及谐振开关电容直流电压变换器。

背景技术

在直流电源变换领域，采用一种结合开关和电容的变换电路来变换不同电压。此类变换器将电容用于储存电能，称之为开关电容变换器(SwitchedCapacity Converter，SCC)。由于此类变换器没有电感或变压器，其体积小于其他类型的变换器且易于在集成电路上制成。但是，在为开关电容充电放电时通常会出现高尖峰电流。因此，此类变换器通常用于低压环境。美国专利公开号US20040141345A1提供了一种称为谐振开关电容变换器(SwitchedCapacitor Resonant Converter，SCRC)的新的开关电容电路，其可工作在高开关频率以及高电压环境下。

SCRC是基于去除包括谐振变换器的主磁能存储设备而设计的。SCRC工作在零电流开关环境，如开关损耗极低且没有EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)问题。而且，其效率也相当高，有可能高于90％。其结构简单，在电路中只了加入一个与开关电容一起谐振的小电感，因此磁性部件的成本较低。

虽然SCRC具有诸多优点，但简单门驱动电路不可应用于该变换器，需要隔离变压器和/或半桥门驱动，因此提高了SCRC的复杂性。而且，门驱动变压器中的寄生电感限制了驱动速度，导致在高频应用中产生更多开关损耗。半桥门驱动具有高频操作的局限性而且变换器成本提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种谐振开关电容直流电压变换器，该直流变换器将采用简单门驱动电路，降低了SCRC的复杂性，同时通过降低寄生电感提高了驱动速度，降低了高频应用中的开关损耗，而且避免了高频操作的局限性，降低了变换器的成本。

为了达到上述发明目的，本发明为一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中，第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间；该第一开关和该第二开关为绝缘栅双极型晶体管或一对互补金属氧化物半导体场效应管开关；其中该第一开关和该第二开关为一对互补金属氧化物半导体场效应管开关时，该第一开关是P沟道金属氧化物半导体场效应管，该第二开关是N沟道金属氧化物半导体场效应管；且开关、电压节点、二极管、负线之间的连接关系为以下三种之一：第一种：所述第一开关和第二开关串联在第一电压节点和负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间；第二种：所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间；第三种：所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间。

如本发明优选具体实施例所述的直流电压变换器，其中，所述控制电路为自启动门驱动控制电路。

如本发明优选具体实施例所述的直流电压变换器，其中，当所述连接关系为第二种时，所述控制电路利用所述第一节点和第二节点之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源

如本发明优选具体实施例所述的谐振开关电容直流电压变换器，其中，当所述连接关系为第三种时，所述控制电路利用所述第一电压节点和所述负线之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。

本发明有点在于应用简单门驱动，降低了SCRC的复杂性，同时通过降低寄生电感提高了驱动速度，降低了高频应用中的开关损耗，而且避免了高频操作的局限性，降低了变换器的成本。

附图说明

以下参照附图详述本发明的优点和特征，其中

图1为根据本发明具体实施例的升压型谐振开关电容直流电压变换器的电路图；

图2和图3为图1所示电路的工作原理示意图；

图4为图1所示电路的门极和电流波形图；

图5为图1所示电路的门极源极电压和电容电流波形图；

图6为图1所示电路的漏极门极电压和电容电流波形图；

图7为根据本发明具体实施例的降压型谐振开关电容直流电压变换器的电路图；以及

图8为根据本发明具体实施例的逆变型谐振开关电容直流电压变换器的电路图。

具体实施方式

图1所示为升压型谐振开关电容直流电压变换器13的电路图。直流电压变换器13包括一对互补金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关4、5。开关4是P沟道金属氧化物半导体场效应管，而开关5是N沟道金属氧化物半导体场效应管。在其他实施例中，亦可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)及其它适用的半导体开关。每个开关都配有反向并联二极管作为MOSFET封装的一部分。第一和第二二极管6、7串联在第一和第二电压节点1、2之间。

直流电压变换器13在第一电压节点1和地或负线3之间具有第一电压V1，在第二电压节点和地或负线3之间具有第二电压电压V2。地或负线3位于任一电压低于节点1、2的电势。两个滤波电容8、11分别与第一和第二电压端V1、V2并联。

中心抽头电感10连接在第一和第二MOSFET4、5之间。谐振电容9连接在二极管6、7的共同节点和电感10的中心节点15之间。在变换器中，电容9提供主要储能器件。电感10可采用由聚合物粘合磁芯所制成的电感或空心电感与电容9产生谐振。

自驱门驱动控制电路12为MOSFET4、5提供开关门信号。门驱动控制电路12在门极和源极之间提供高电压来开启N沟道MOSFET5并关断P沟道MOSFET4。门驱动控制电路12提供零伏特或最好负电压来开启P沟道MOSFET4并关断N沟道MOSFET5。优选的，输入电压V1应小于或等于MOSFET4、5的门极和源极之间的最高电压。门驱门驱动电路12可为集成电路或具有高速晶振电路来提供必要的门极驱动信号。

直流电压变换器13为升压型电压变换器。电压V1为输入端而V2为输出端。在理想情况下，电压V2等于电压V1的两倍。

直流电压变换器13通过电容9充电放电工作。电容9作用为与电感10谐振的电容从而为MOSFET获取零电流开关环境。当MOSFET4开启，二极管7正向偏置并开启，电流通过包括MOSFET4、电感10的上部电感，开关电容以及二极管7的串联电路。最初，电感中的电流总为零；因此开启状态下串联电路的电流为零。由于串联的电容9以及电感10的上部电感，在串联电路中的电流为以

2 π \sqrt{\frac{L}{2} C}

为周期的正弦曲线，其中L是电感10的电感值，C是电容9的电容值。假设首先通过正电流，在第一半周期的末端，二极管7反向偏置从而抵消负半周期的电流。零电流环境产生且MOSFET4关断。第二MOSFET5开启且二极管6正向偏置。最初电流为零且谐振电流的负半周期流过。在负半周期的末端，二极管6反向偏置，产生零电流环境。通过长于LC谐振电流半个周期的MOSFET开关时间，达到产生零电流开关的效果。

因为开关电容9通过谐振正弦电流充电放电，所以电路不存在电流尖峰问题。

图2和图3显示一个升压开关周期的两个阶段，粗体表示电流通路。图4显示门极和电流波形。

参照图1和图4，本发明的升压型开关电容变换器包括一对互补P沟道/N沟道MOSFET4、5。自驱门驱动控制电路12为MOSFET4、5提供开关门信号。门驱动控制电路12在门极和源极之间提供高电压来开启N沟道MOSFET5并关断P沟道MOSFET4。门驱动12提供门极和漏极电压来开启P沟道MOSFET4并关断N沟道MOSFET5。当自驱控制电路12为两个互补开关提供高于3的信号时，半桥臂的N沟道开关开启，同时利用中心抽头电感的下部电感与开关电感产生谐振。或者，当自驱控制电路为两个互补开关提供低于地3的信号时，上部P沟道开关的漏极和门极之间的电压处于高位，因此半桥臂的上部MOSFET4开启，采用中心抽头电感的上部电感与开关电感谐振。

参照图2和图4，在时间t₀处，MOSFET5开启而MOSFET4关断。二极管6正向偏置。滤波电容11对连接在第二电压节点2的负载放电。MOSFET5和二极管6与电容9以及电感10的下部电感串联。与电感10的下部电感谐振的开关电容产生的正弦电流经过串联电路。在第一谐振周期的末端，串联电流(电容9电流)为零且二极管6反向偏置抵消负半周期中的电流。电容被充电达到直流电压V1。

参照图3和图4，在时间t₁处，二极管6反向偏置而且电流为零。MOSFET4开启而MOSFET5关断。二极管7正向偏置。输入电压V1和开关电容9串联，理想状况下，电压V2为电压V1的两倍，谐振电流的负半周期产生。滤波电容11再次充电。在负半周期的末端，二极管7反向偏置而电流停止。在时间t₂处，MOSFET5再次开启而MOSFET4关断。

图5和图6显示谐振开关电容直流变换器的波形，在升压模式下，该变换器配有上述参数和器件值。输入电压V1测量值为12V，输出电压V2测量值为24V。电源(17.1W)最大效率为92.53％。额定电源(50W)效率为86.38％。图5和图6图形的水平分辨率为每单位1微秒。在开关频率为200kHz的情况下，每个MOSFET的开关时间为2.5微秒。电容9和电感10的谐振时间为4微秒。因此，半谐振周期为4微秒。

可见，本发明提供了具有升压功能的谐振开关电容直流变换器。除了需要中心抽头电感来与开关电容谐振，本发明的直流电路还包括一对互补P沟道/N沟道MOSFET，因此两个互补开关共享同一自驱控制电路，从而降低门驱动成本。无时滞控制的驱动信号可直接用于互补开关，而且半桥臂的电流直通短路可由中心抽头电感限制。

图7为本发明的第二具体实施例。降压型开关电容准谐振变换器20在第一电压节点1和地或负线3之间具有第一电压端V1，以及在第二节点2和地或负线3之间具有第二电压端V2。地或负线3位于低于电压节点1和2的任何电势。两个滤波电容8、11分别与第一和第二电压端V1、V2并联。变换器20包括一对互补金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关4、5。开关4为P沟道MOSFET，开关5为N沟道MOSFET。开关4和开关5串联在第一节点V1和第二节点V2之间，二极管6和二极管7串联在第二节点V2和负线3之间，构成降压型谐振开关电容直流电压变换器。

中心抽头电感10连接在第一和第二MOSFET4、5之间。谐振电容9连接在电感10的中心节点15和二极管6、7的共同节点14之间。电容9在该变换器中提供主要的储能器件。电感10可采用由聚合物粘合磁芯所制成的电感或空心电感与电容9产生谐振。

自驱门驱动控制电路12利用节点1和节点2之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。自驱门驱动控制电路12为MOSFET4、5提供开关门信号。直流电压变换器20为降压型直流电压变换器。电压V1为输入端，V2在负载端。理想情况下，电压V2等于电压V1的一半。直流电压变换器通过将电容9充放电来工作。电容9作用为与电感10谐振的电容从而为MOSFET获取零电流开关环境。

图8为本发明的第三具体实施例。逆变型开关电容准谐振变换器30在第一电压节点1和地或负线3之间具有第一电压端V1，以及在第二节点2和地或负线3之间具有第二电压端V2。地或负线3可为低于电压节点1和2的任何电位。两个滤波电容8、11分别与第一和第二电压端V1、V2并联。变换器30包括一对互补金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关4、5。开关4为P沟道MOSFET，开关5为N沟道MOSFET。开关4和开关5串联在第一节点1和负线3之间，二极管6和二极管7串联在第二节点V2和负线3之间，构成逆变型谐振开关电容直流电压变换器。

自驱门驱动控制电路12利用节点1和节点3之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。自驱门驱动控制电路12为MOSFET4、5提供开关门信号。直流变换器30为逆变电压变换器。电压V1为输入端，V2在负载端。理想情况下，电压V2等于电压V1的负值。变换器通过将电容9充放电来工作。电容9作用为与电感10谐振的电容从而为MOSFET获取零电流开关环境。

以上，是为了本领域技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种谐振开关电容直流电压变换器，包括第一电压节点，第二电压节点，第一开关，第二开关，第一二极管，第二二极管，控制电路，其中，第一电压节点和负线之间具有第一电压，该第二电压节点和负线之间具有第二电压，控制电路为该第一开关和第二开关提供开关门信号，其特征在于，该谐振开关电容直流电压变换器进一步包括中心抽头电感和谐振电容，其中，中心抽头电感连接在所述第一开关和第二开关之间，谐振电容连接在所述第一二极管和第二二极管的共同节点和该中心抽头电感的中心节点之间；

该第一开关和该第二开关为绝缘栅双极型晶体管或一对互补金属氧化物半导体场效应管开关；其中该第一开关和该第二开关为一对互补金属氧化物半导体场效应管开关时，该第一开关是P沟道金属氧化物半导体场效应管，该第二开关是N沟道金属氧化物半导体场效应管；

且开关、电压节点、二极管、负线之间的连接关系为以下三种之一：

第一种：所述第一开关和第二开关串联在第一电压节点和负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间；

第二种：所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该第二电压节点之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间；

第三种：所述第一开关和第二开关串联在该第一电压节点和该负线之间，该第一二极管和该第二二极管串联在该第二电压节点和该负线之间。

2.如权利要求1所述的直流电压变换器，其特征在于，所述控制电路为自启动门驱动控制电路。

3.如权利要求1所述的直流电压变换器，其特征在于，当所述连接关系为第二种时，所述控制电路利用所述第一节点和第二节点之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。

4.如权利要求1所述的谐振开关电容直流电压变换器，其特征在于，当所述连接关系为第三种时，所述控制电路利用所述第一电压节点和所述负线之间的电压作为自启动提供给门驱动的电源。