开关电容变换器的研究

1、开关电容变换器的研究开关电容变换器的研究 指导老师： 学生：课题的提出 随着半导体和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关稳压电源，使之能满足电子设备的日益微小型化的需要。 影响开关电源体积和重量的关键是因为传统的开关电源中含有笨重的电感和变压器等磁性元件，于是近年来人们提出了一种新的思路:就是去掉笨重的电感和变压器等磁性元件，仅由电容器和开关管来实现电压变换，基于这种理念的开关变换器称为“开关电容变换器”。由于不含电感和变压器，因此可以大大缩小开关电源的体积和重量，并易于在芯片中实现集成

2、。本课题研究的意义 采用开关电容网络实现DC-DC变换有很多显而易见的优点: 能够进一步地缩小电源的体积，由于没有笨重的磁性元件，很易于在芯片中实现集成。 由于不含有磁性元件，因而能够大大降低电磁干扰问题。 重量轻，尺寸小，因而功率密度高。 因此基于这种变换技术的开关电源非常适用于一些小型化设备，随着用电设备的小型化，开关电容DC-DC变换器将具有广阔的应用前景。开关电容变换器的研究现状 自从开关电容变换器的概念被提出以来，开关电容DC-DC变换技术己经取得了很大的进展，各种拓扑结构层出不穷。 最近几年开关电容DC/DC变换器的研究又出现了许多新的亮点，出现了调节特性得到改进的变换器，在充电阶

3、段出现了电容和开关新的组合形式，以及得到双向能量流动变换器(其能量流动的一个方向是升压，一个方向是降压)和输入电流连续的开关电容变换器，将小电感引入开关电容DC/DC变换器，从而使得软开关技术得以应用到开关电容变换器更是一种全新的尝试。 开关电容变换器的展望 总体而言，DC/DC开关电容变换器拓扑还不成熟，大部分变换器工作特性对拓扑有一定的依赖性，因而在原理上发展DC/DC开关电容变换器将是今后值得探索的一个方向。此外，DC/DC开关电容变换器的控制技术也有待发展，以取得更加理想的电路特性。本课题研究的主要内容和技术方案本课题研究的主要内容和技术方案 本课题准备研究一个开关电容DC/DC升压变

4、换器，其技术指标如下： 输入电压范围:17V-19V 额定输出电压:Vo48V 额定输出电流:Io1A 额定输出功率:48W 输出电压纹波:小于2%主电路图设计主电路图的优点 可以提高开关电容变换器的功率。对于开关电容变换器， 功率传输能力主要体现在传输电量的能力，很显然，采用这种对称结构可以提高开关电容变换器的电量传输能力 可以保证输入电流连续，这样就能够有效抑制输入电流畸变和降低电磁干扰。 可以改善占空比调节的性能。拟解决的关键问题之一 PWM控制技术广泛的应用于电力电子变换器中，自然，在开关电容变换器中最先引入的就是PWM控制方法，并且取得了一定的成功。虽然开关电容变换器的输入直流脉动和

5、输出电压纹波的问题在PWM控制中得到一定的解决，可是由于PWM控制中电容的充电电流是指数型的，很快就接近零，因此能够调节的有效时间都比较短，而且当开关频率比较高时，占空比调节很难精确实现，这样实际上限制了它的调节范围，并且开关承受的电流应力较大；另外，PWM控制方法是以输出电压或者开关管的电流作为反馈信号来调节占空比，然而占空比信号的变化不能即时跟随输入电压或负载的变化，因而PWM控制方法的动态调节响应较慢。总的来说，PWM控制得到的特性还不够理想。 基于上述原因，对于本次研究打算采用一种新的控制策略，即准开关控制技术结合电压跟随控制技术。准开关控制技术 可以看出，自然充电波形为零电流关断，但

6、它是不可调的；PWM控制的电流波形是脉动的会造成一定的EMI问题，而且开关应力比较大；准开关控制的电流波形最好，没有脉动，开关应力相应也小一些。 和PWM方式比较，准开关控制的输入电流为充电放电电流之和，脉动不大，因此没有大的EMI问题；虽然也是硬开关，开关应力不算大。总的看来，它和PWM控制仅在充电阶段的电流波形有所不同，由电容能量损失的公式： 可以看出，由于电容能量损失只取决于初始和最终的电压，和开关的控制策略无关，因此其转换效率和传统PWM方式是一样的。总的看来，准开关控制对开关电容变换器中的三个问题都做了比较好的解决，明显优于PWM控制。221()() 2losssCisCfEC VV

7、VV 通过前面的分析可知，采用准开关控制技术能够很好的控制输入端电流波形的脉动，可是该方法对于变换器输出直流电压波形的脉动问题无能为力。若采用增大输出电容来减小输出电压的纹波，势必违背了开关电容变换器的初衷。这里我们可以采用电压跟随控制技术来达到这个目的。电压跟随控制技术 电压跟随控制的思想很简单，以右图的电路为例，若ul为额定的稳压输出,ue为设定的输出电压最大偏移量，其控制原理是：当输出电压uo低于允许下限(ulue)时，进入状态一：us串联c1对c0和R充电，uo逐渐上升。当uo高于允许上限(ul+ue)时，进入状态二：us对c1充电，c0维持R上的输出电压，从而uo逐渐下降，当输出电压

8、uo低于允许下限(uLue)时，又进入状态一，这样输出电压就被控制在设计范围之内。即ulueuoul+ue。该控制技术的优点是：输出电压变比可以很大，输出纹波理论上可以精确控制，对电路的件参数不敏感。 结论：将准开关控制技术和电压跟随控制技术结合使用，可以同时对开关电容变换器的输入电流波形的脉动和输出电压波形的脉动进行很好的控制。拟解决的关键问题之二 前面所讨论的控制方法均属于能耗控制，电路的效率并不高。由于电路的损耗与开关管的导通电阻、二极管的正向导通压降、各电容的等效串联阻抗等有关，因此，为了减小损耗，提高电路的效率，我们可以将软开关技术引入开关电容变换器，来减小开关管的损耗。 开关电容变

9、换器软开关技术的基本思想是：在主电路中引入小电感（为了便于集成），使之与电容串联谐振。由于电感电流不能突变，因此，可以实现开关管的零电流开关。谐振型开关电容变换器主电图 可以看出：将小电感引入开关电容变换器，可以实现开关管的零电流开关，从而大大减小开关管的损耗，提高电路的变换效率，因而这种电路更适合高频工作。 由于电感和电容串联谐振，从而抑止了电容充放电电流的脉动问题，因此该电路的EMI问题大大减少，可适用于大功率场合。总结与展望 硬开关型开关电容变换器采用准电流控制技术和电压跟随控制技术结合的方法可以减少输入电流和输出电压的脉动，而且输出电压的大小可以在比较大的范围内调节。其缺点是开关损耗大，电路效率不高。因此，它适用于对输出电压要求高，对效率要求不太高的场合。 谐振型开关电容变换器可以使开关管零电流开关，开关损耗大大