基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器

本发明涉及一种电子电路技术，特别涉及一种基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器。

背景技术：

1、近年来，随着5g通信、大数据、人工智能、区块链、云计算等新兴信息技术的飞速发展，在通信和数据中心等领域中，供电系统的直流母线电压不断提高来应对终端负载(cpu、gpu、内存等)功率快速增长所带来的高母线损耗。然而，更高的母线电压意味着需要设计更高降压比的变换器。其中，谐振型开关电容拓扑和高频llc变换器因其高效、高功率密度等优势受到广泛关注。

2、如图1所示4：1的开关电容变换器电路图，开关电容变换器电路主要由开关管和电容器来实现电压变换和能量转换，由于电路中不含电感和变压器等磁性元件，可以大大缩小电源体积，减轻重量，并且易于在芯片上集成。传统的开关电容变换器在电容周期性的充放电过程中会产生很大的电流应力，并且随着输出电流的增加，变换器的效率将急剧下降，因此，传统的开关电容变换器只能使用在输出电流很小的场合。相较于磁性元件，开关电容变换器采用更高能量密度的电容作为主要能量存储和传输的元件，能够实现更高的转换效率和功率密度。然而，在实现高变压比时，开关电容变换器需要大量的开关和电容器件，这不仅抵消了少磁性元件所带来的功率密度提升，还会增加成本。

3、为了解决这一问题，谐振型开关电容变换器拓扑被提出，在开关电容电路中引入谐振的概念。

4、谐振型开关电容变换器在传统开关电容变换器中加入很小的磁性元件来参与谐振，可以实现软开关和软充电的特性，开关损耗和emi很低，因此它可以工作在很高的开关频率。而且电容的尺寸和重量都可以大大减少，功率密度可以达到更高。

5、如图2所示llc谐振变换器的拓扑结构图，llc谐振变换器利用变压器结构可以实现较大的电压变比，同时其具有软开关、结构简单等优势，广泛应用于高效率应用场景下。然而，相对笨重的变压器仍限制着llc变换器的功率密度，同时调频控制增加了控制复杂度并且会降低效率。因此，将llc作为直流变压器(dc transformer,dcx)工作在其谐振频率可以获得最佳效率，并且控制相对简单。随着第三代半导体器件和平面磁集成技术的不断发展，高频变压器在高效率、高功率密度需求下逐渐受到关注。

6、变压器匝比影响着变压器的绕组损耗以及变压器体积，是变压器设计中的一个重要设计考量。对于传统llc变换器，在降压比为2n:1时，全桥结构和半桥结构的变压器匝比分别为2n:1和n:1。然而，原副边电流大小与匝比成反比，在相同负载条件下，更低的匝比将会造成原边开关更高的电流应力。

7、此外，为了降低高频下开关损耗，传统llc变换器需要利用变压器中的励磁电流来实现软开关，这会在变压器中引入环流，不仅增加磁设计难度，还会降低变换器轻载时的效率。

技术实现思路

1、针对在实现高降压变换时，传统开关电容变换器存在不易拓展、器件一致性要求高，传统llc变换器的变压器中环流大等问题，提出了一种基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，在采用较低匝比的变压器实现较高降压比的条件下，保证原边开关具有较低的电压、电流应力，同时降低变压器中的环流，优化磁设计。

2、本发明的技术方案为：一种基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，包括开关电容单元和串联谐振单元；

3、所述开关电容单元，包括接直流电源两端的四个串联连接的开关管q1-4、并联接在串联的开关管q2,3两端的由串联谐振电容c1和谐振电感l1组成的第一谐振腔以及并联接在串联的开关管q3,4两端的输出飞跨电容cmid；

4、所述串联谐振单元，包括开关管q3,4、输入飞跨电容cmid、由谐振电容cr和谐振电感lr组成的第二谐振腔、匝比为n:1:1的副边带中间抽头的变压器以及副边整流电路，其中谐振电容cr、谐振电感lr、变压器原边串联后并联接在开关管q4两端；

5、所述开关电容单元中开关管q1,2和q3,4分别在两对互补驱动信号g1,2和g3,4的驱动下工作，实现初级降压，初级降压后电容cmid两端的电压作为串联谐振单元的输入，通过串联谐振单元进行再次降压，从而实现低匝比的变压器的高降压比。

6、优选的，所述开关管q3,4和飞跨电容cmid为开关电容单元和串联谐振单元两个单元所复用，作为开关电容单元的输出和串联谐振单元的输入。

7、优选的，所述副边整流电路包括同步整流管sr1，2和输出电容co，同步整流管sr1，2反向串联接变压器副边两端，变压器副边中间抽头为变换器输出端，输出端并联输出电容co后接负载ro。

8、优选的，所述开关电容单元中开关管q1,2和q3,4的通断状态分别由驱动信号g1,2和g3,4控制，实现开关电容单元的初级降压。

9、优选的，所述开关电容单元中q3,4的通断状态，控制串联谐振单元工作在谐振频率点上，实现变换器的最优效率。

10、本发明的有益效果在于：本发明基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，在相同变压器匝比和功率条件下，降压比为传统半桥llc变换器的2倍，为传统全桥llc变换器的4倍；在相同输入电压条件下，开关数量与传统全桥llc相同，原边开关电压应力仅为传统llc变换器的一半；在相同变压器匝比、输出电压和输出电流条件下，原边开关的电流应力仅为传统半桥llc变换器的一半；开关电容单元的飞跨电容c1作为谐振电容可以有效降低容值，进一步提升功率密度；所有原边开关都可以利用开关电容单元的谐振电流来实现软开关，无需借助变压器的励磁电流，因此串联谐振(src)的谐振腔可以工作在谐振频率点，以实现最优效率；src单元复用开关电容单元的开关管，简化了电路结构，有助于实现更高的效率；保持了开关电容变换器低开关电压应力、软充电、软开关以及高功率密度等优势；具有软开关、电气隔离、电磁干扰小、结构简单、效率高等优势。

技术特征：

1.一种基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，其特征在于，包括开关电容单元和串联谐振单元；

2.据权利要求1所述基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，其特征在于，所述开关管q3,4和飞跨电容cmid为开关电容单元和串联谐振单元两个单元所复用，作为开关电容单元的输出和串联谐振单元的输入。

3.根据权利要求1或2所述基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，其特征在于，所述副边整流电路包括同步整流管sr1,2和输出电容co，同步整流管sr1,2反向串联接变压器副边两端，变压器副边中间抽头为变换器输出端，输出端并联输出电容co后接负载ro。

4.根据权利要求3所述基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，其特征在于，所述开关电容单元中开关管q1,2和q3,4的通断状态分别由驱动信号g1,2和g3,4控制，实现开关电容单元的初级降压。

5.根据权利要求3所述基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，其特征在于，所述开关电容单元中q3,4的通断状态，控制串联谐振单元工作在谐振频率点上，实现变换器的最优效率。

技术总结
本发明涉及一种基于开关电容和串联谐振的混合型高降压变换器，包括开关电容单元和串联谐振单元。本发明将开关电容变换器与串联谐振变换器相结合，并通过复用开关来减少元器件数量，利用匝比为n:1的变压器实现4n:1的高降压比。所有原边开关都可以利用开关电容单元的谐振电流来实现软开关，无需借助变压器的励磁电流，串联谐振的谐振腔可以工作在谐振频率点，以实现最优效率，并简化磁设计；具有软开关、电气隔离、电磁干扰小、结构简单、效率高等优势。

技术研发人员：梁家伟,王浩宇
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16