谐振串联型开关电容DC／DC变换器

摘要：根据向串联开关逐个充电能升压的原理，提出一种串联谐振型电容电容直流变换器，以谐振充电、恒流放电工作方式，降低了浪峰电流和变换损耗。根据RLC电路响应规律，采用近似值方法，解出了输出电压、变换效率和充电平均电流的数学表达式，可知这种谐振型变换器在一定范围内可通过电源方式调压，是一种体积小、效率高的直流变换器，并用实验验证了电路及其分析的正确性。
关键词：变换器；开关电容；谐振；调频调压

1 引言
    开关电容直流变换器是以电容为储能元件的功率变换器，其体积小、重量轻、效率高且易于集成。但硬开关控制方式的开关电容变换器存在开关电流大、EMI问题严重等缺点。谐振型开关电容直流变换器对于开关损耗、EMI和电流应力等性能有所改善，但同时存在一个问题：对于升压式电路，电容充电时，该电容不能同时向负载放电，只能由输出电容向负载供电，变换器输出电流占空比就会较小，势必导致工作电流峰值变大，使阻性损耗变大。采用双相的电路结构可使电流占空比增大一倍，但功率器件数量也相应增加一倍。
    根据向串联电容逐个充电能升压的原理，参考文献，在此提出一种谐振串联型开关电容DC／DC变换器，电路在对谐振电容充电的同时，能以恒流方式向负载放电，可增大工作电流占空比，从而减小谐振峰值电流，降低阻性损耗，提高变换效率。

2 主电路
    图1示出谐振型2倍压主电路拓扑结构，Cs，L1为低压端EMI滤波元件，C3，L3为高压端EMI滤波元件。谐振电容C1，C2与C3间用L3相连。

    电路工作波形如图2所示，工作分4个模态：
    模态I VT1，VD1导通，VT2，VD2关断，频率电流通过L1，L2，VT1，VD1向C1谐振充电，同时电源和C2串联向负载供电，即图2波形T2时段；
    模态II VT1仍然导通，VT2，VD2继续关断，由于VD1的反向阻断，VT1无电流，电路为C1，C2串联向负载放电，即图2波形t3～t4时段；
    模态III VT1，VD1关断，VT2，VD2导通，电源向C2充电，同时与C1串联向负载供电，类同模态I；
    模态IV 类同模态II。
    模态II至模态IV，历经总时间为T3。
    简言之，电源轮流向电容充电，电容串联升压输出。若T2=T3，则模态II和IV时间为零，则输入充电电流时间占空比为100％。

    由于谐振型电路工作要基于电路的参数，当电路LC谐振参数确定后，T2通常不能改变。则调压方式只能是改变模态II和IV的时间，也即调频方式。当T2=T3时，为开关调频上限fh=1／(2T2)，调节输出电压时，只能在fh上限频率处向下调节。