阅读说明：本技术 一种基于开关电容和谐振sepic电路的dc/dc变换器 (DC/DC converter based on switch capacitor and resonance SEPIC circuit ) 是由 管乐诗 王懿杰 李方 姚婷婷 徐殿国 王卫 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明是一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器。所述变换器包括前级开关电容电路和后级谐振SEPIC开关电路。所述前级开关电容电路包括四个开关管S<Sub>1</Sub>、S<Sub>2</Sub>、S<Sub>3</Sub>和S<Sub>4</Sub>、两个电容C<Sub>1</Sub>和C<Sub>2</Sub>、电感L<Sub>c</Sub>和电压源V<Sub>in</Sub>。所述后级谐振SEPIC开关电路由逆变电路、匹配网络和整流电路组成。本申请通过开关电容电路和谐振Sepic电路两级降压,实现了高降压比的DC/DC功率变换器。通过软充电的工作方式,使开关电容电路效率大幅提高,整个系统的效率也得到了提升,实现了系统的高效率。(The invention relates to a DC/DC converter based on a switch capacitor and a resonant SEPIC circuit. The converter comprises a front stage switch capacitor circuit and a rear stage resonance SEPIC switch circuit. The pre-stage switch capacitor circuit comprises four switch tubes S 1 、S 2 、S 3 And S 4 two capacitors C 1 And C 2 Inductor L c And a voltage source V in . The post-stage resonance SEPIC switch circuit consists of an inverter circuit, a matching network and a rectifying circuit. The DC/DC power converter with the high voltage reduction ratio is realized by two-stage voltage reduction of the switched capacitor circuit and the resonance Sepic circuit. Through the working mode of soft charging, the efficiency of the switched capacitor circuit is greatly improved, the efficiency of the whole system is also improved, and the high efficiency of the system is realized.)

一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及电压调节技术领域，是一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，如今对高效率、高功率密度的DC/DC功率变换器需求越来越广泛，在许多数码产品、集成CPU电路、大型单板硬件电路等场合，大量的低压DC/DC的功率变换器被使用，这就要求着我们需要对目前的DC/DC进一步小型化和高效化。

目前，对于开关电源小型化的最有效措施是提高开关电源的开关频率，当频率达到数十MHz频率及以上时，此时参与谐振的电感量值很小，可以采用无磁芯空心电感或平面PCB电感，非常有效的降低了无源元件的体积，从而提高了功率变换器的体积，多用于高功率密度的功率变换器的设计。但是对于高频和超高频功率变换器，存在一个明显的问题，即逆变器一般采用E类逆变器或由其引申出来的其它相似结构的逆变器，由于其结构的特殊性，开关管漏源极两端的电压是输入电压的3倍以上，因此限制了输入电压的范围，不适应于降压比较高的电路。

另外，开关电容电路作为一种新颖的开关电源结构被广泛研究，基于其不需要额外感性元件或仅需要较少的感性元件，所以在体积上大大减小了由于电感或变压器占用的空间。通过电容分压很好的实现较高的电压变比，常用于高降压比或高升比的DC/DC变换电路中，但是仅仅由开关电容结构组成的功率变换器在输出电压调节方面的灵活性很低，限制了开关电容电路在许多场合的应用。

发明内容

本发明为在实现高降压比的同时，同时可以保证高效率和高功率密度，本发明提供了一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器，本发明提供了以下技术方案：

一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器，所述变换器包括前级开关电容电路和后级谐振SEPIC开关电路；

所述前级开关电容电路包括四个开关管S₁、S₂、S₃和S₄、两个电容C₁和C₂、电感L_c和电压源V_in；

所述电压源V_in的正极端连接开关管S₁的一端，开关管S₁的另一端与开关管S₂、S₃和S₄串联，所述电容C₁与开关管S₂和S₃并联，电感L_c和电容C₂的一端串联，电感L_c和电容C₂同时与开关管S₃和S₄并联，电容C₂的另一端连接电压源V_in的负极端；

所述后级谐振SEPIC开关电路由逆变电路、匹配网络和整流电路组成；所述逆变电路包括电感L_F、电容C_F和开关管S₅；所述匹配网络包括电容C_s和电感L_s，所述整流电路包括电感L_REC、电容C_OUT、二极管D、电容C_REC和负载电阻R_L；

所述电感L_F的一端连接开关管S₅一端，所述电容C_F并联在开关管S₅的两端，所述电感L_F的另一端连接电容C₂的一端，所述开关管S₅的另一端连接电容C₂的另一端；

所述电容C_s和电感L_s串联，同时电容C_s和电感L_s并联在电容C_F的两端，所述电感L_REC并联在电感L_s的两端，所述电感L_REC的一端连接二极管D的一端，所述电容C_REC并联在二极管D的两端，所述二极管D的另一端连接电容C_OUT的一端，电容C_OUT的另一端连接电感L_REC的另一端，所述负载电阻R_L并联在电容C_OUT的两端。

优选地，通过打开开关管S₁和S₃，关断开关管S₂和S₄，利用电容C₁实现高降压比和高功率密度。

优选地，通过打开开关管S₂和S₄，关断开关管S₁和S₃，利用电容C₂实现高降压比和高功率密度。

优选地，通过软充电方式，提高前级开关电容电路的效率。

优选地，通过所述电感L_c承受转换过程中的电压差，减小瞬态电流，从而减小充放电损耗。

优选地，采用模拟闭环控制时稳定的输出电压，采用电流源模拟闭环控制时的输入，确定幅值，通过下式确定幅值：

其中，I_IN为幅值，V_OUT为输出电压，R_L为负载电阻，K为和二极管导通占空比有关的常数。

本发明具有以下有益效果：

1、通过开关电容电路和谐振Sepic电路两级降压，实现了高降压比的DC/DC功率变换器。

2、通过软充电的工作方式，使开关电容电路效率大幅提高，整个系统的效率也得到了提升，实现了系统的高效率。

3、开关电容电路和谐振SEPIC电路都是具有较高高功率密度的DC/DC功率变换器，两级保证了整个系统的高功率密度。

附图说明

图1是基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器原理图；

图2是软充电特性开关电容电路；

图3是开关电容工作模态图；

图4是超高频谐振SEPIC功率变换器电路；

图5是电流型谐振整流电路；

图6是高通匹配网络拓扑图；

图7是高频逆变电路；

图8是电容C₁的放电电流波形仿真结果图；

图9是包含L_S时电容放电电流波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

按照图1、图2和图4所示，本发明提供一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器，所述变换器包括前级开关电容电路和后级谐振SEPIC开关电路；

所述前级开关电容电路包括四个开关管S₁、S₂、S₃和S₄、两个电容C₁和C₂、电感L_c和电压源V_in；

所述电压源V_in的正极端连接开关管S₁的一端，开关管S₁的另一端与开关管S₂、S₃和S₄串联，所述电容C₁与开关管S₂和S₃并联，电感L_c和电容C₂的一端串联，电感L_c和电容C₂同时与开关管S₃和S₄并联，电容C₂的另一端连接电压源V_in的负极端；

所述后级谐振SEPIC开关电路由逆变电路、匹配网络和整流电路组成；所述逆变电路包括电感L_F、电容C_F和开关管S₅；所述匹配网络包括电容C_s和电感L_s，所述整流电路包括电感L_REC、电容C_OUT、二极管D、电容C_REC和负载电阻R_L；

所述电感L_F的一端连接开关管S₅一端，所述电容C_F并联在开关管S₅的两端，所述电感L_F的另一端连接电容C₂的一端，所述开关管S₅的另一端连接电容C₂的另一端；

所述电容C_s和电感L_s串联，同时电容C_s和电感L_s并联在电容C_F的两端，所述电感L_REC并联在电感L_s的两端，所述电感L_REC的一端连接二极管D的一端，所述电容C_REC并联在二极管D的两端，所述二极管D的另一端连接电容C_OUT的一端，电容C_OUT的另一端连接电感L_REC的另一端，所述负载电阻R_L并联在电容C_OUT的两端。

开关电容电路利用电容的充放电过程，实现电容之间的均压，是非常好的高降压比、高功率密度变换器拓扑结构。但是传统开关电容电路电容的充放电转换过程中由于电源与电容或电容与电容电源不一致，充放电瞬态会存在较大的电流尖峰，造成较大损耗。为了解决上述问题，可在充放电回路中串联一电感，使其承受转换过程中的电压差，减小瞬态电流(软充电)，从而减小充放电损耗，所采用的开关电容电路拓扑如图2所示：四个开关管S₁、S₂、S₃和S₄，两个电容C₁和C₂，以及电感L_C。其中C₁和C₂的作用是充放电电容，进行能量传递和均压。L_C的作用是承担过渡状态的电压差，减小电压尖峰。上述开关电容电路的工作模态可以分为如下两种，如图3所示：

通过打开开关管S₁和S₃，关断开关管S₂和S₄，利用电容C₁实现高降压比和高功率密度。

通过打开开关管S₂和S₄，关断开关管S₁和S₃，利用电容C₂实现高降压比和高功率密度。

上述所设计的开关电容电路，结构简单，易于控制，既可以实现高降压比和高功率密度，通过软充电方式，还可以提高开关电容电路环节的效率。且所采用的电感感值较小，不影响系统的功率密度。

本发明所采用的SEPIC电路如图4所示，超高频谐振SEPIC电路由逆变电路、匹配网络和整流电路三部分组成，其设计步骤一般为先设计整流电路，使其在工作频率下呈阻性，然后以等效阻抗代替整流环节来简化匹配网络的设计，最后设计逆变环节。

(1)谐振整流环节的设计

本发明采用的电流型谐振整流电路如图5所示，为了设计出参数合适、功能良好的整流电路，本文主要采用仿真的手段对该部分进行分析。输出用恒压源来等效，模拟闭环控制时稳定的输出电压；采用电流源来模拟该环节的输入，其幅值I_IN为：

其中V_OUT为输出电压，R_L为额定负载，K为和二极管导通占空比有关的常数，见表1：

表1 D与K的关系

在谐振整流电路中，定义特征阻抗Z_c和中心频率f_c如下：

在该谐振整流电路中，保持Z_c不变扫描f_c时，输入电压的基波幅值不会改变；保持f_c不变扫描Z_c时，输入电压的基波相位不会改变。因此通过扫描Z_c和f_c可以获得基波条件下呈阻性的Class E整流电路谐振参数。

(2)高通匹配网络的设计

本发明采用的高通匹配网络如图6所示，其中输入等效阻抗的表达式可以表示为

式中，Z_REC是整流电路的等效阻抗，Z_INV是逆变环节所需的等效阻抗，即匹配网络的输入阻抗。

(3)逆变电路的设计

本发明采用的高频逆变器如图7所示，定义逆变器工作周期为T，开关占空比为D，当0≤t≤(1-D)T时，开关管关断，L_F与C_F二者谐振，根据KCL和KVL，可以列写出以下微分方程：

以开关管的ZVS和ZDVS作边值条件求解微分方程，易得到Class E逆变环节的谐振参数值为：

其中x为一中间变量，且x满足如下方程：

至此，高频SEPIC电路的所有参数均可以得到。

本设计系统基于以上分析，搭建了一套5W的样机，主要参数包括：输入电压24V，输出参数为5V/1A，开关电容电路的工作频率为200KHz，谐振Sepic电路工作频率为20MHz。具体参数如表2所示。

表2基于开关电容和谐振SEPIC电路的高功率密度DC/DC变换器

按照设计的参数进行仿真，首先当开关电容电路中不采用电感L_S时，电容C₁的放电电流波形仿真结果如图8所示，从图中可以看出过渡状态是电流存在较大尖峰，约为5A。不利于器件的选择同时增加充放电损耗。

当采用基于电感L_S的开关电容电路时，电容C₁的放电电流波形仿真结果如图9所示，从图中可以看出过渡状态不存在较大的尖峰，峰值约为2A。有利于器件的选择同时减小充放电损耗。

以上所述仅是一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器的优选实施方式，一种基于开关电容和谐振SEPIC电路的DC/DC变换器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。