開關電容變換器研究

1、開關電容變換器的研究開關電容變換器的研究 指導老師： 學生：課題的提出 隨著半導體和微電子技術的高速發(fā)展，集成度高、功能強的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關穩(wěn)壓電源，使之能滿足電子設備的日益微小型化的需要。 影響開關電源體積和重量的關鍵是因為傳統(tǒng)的開關電源中含有笨重的電感和變壓器等磁性元件，于是近年來人們提出了一種新的思路:就是去掉笨重的電感和變壓器等磁性元件，僅由電容器和開關管來實現(xiàn)電壓變換，基于這種理念的開關變換器稱為“開關電容變換器”。由于不含電感和變壓器，因此可以大大縮小開關電源的體積和重量，并易于在芯片中實現(xiàn)集成

2、。本課題研究的意義 采用開關電容網(wǎng)絡實現(xiàn)DC-DC變換有很多顯而易見的優(yōu)點: 能夠進一步地縮小電源的體積，由于沒有笨重的磁性元件，很易于在芯片中實現(xiàn)集成。 由于不含有磁性元件，因而能夠大大降低電磁干擾問題。 重量輕，尺寸小，因而功率密度高。 因此基于這種變換技術的開關電源非常適用于一些小型化設備，隨著用電設備的小型化，開關電容DC-DC變換器將具有廣闊的應用前景。開關電容變換器的研究現(xiàn)狀 自從開關電容變換器的概念被提出以來，開關電容DC-DC變換技術己經(jīng)取得了很大的進展，各種拓撲結構層出不窮。 最近幾年開關電容DC/DC變換器的研究又出現(xiàn)了許多新的亮點，出現(xiàn)了調節(jié)特性得到改進的變換器，在充電階

3、段出現(xiàn)了電容和開關新的組合形式，以及得到雙向能量流動變換器(其能量流動的一個方向是升壓，一個方向是降壓)和輸入電流連續(xù)的開關電容變換器，將小電感引入開關電容DC/DC變換器，從而使得軟開關技術得以應用到開關電容變換器更是一種全新的嘗試。 開關電容變換器的展望 總體而言，DC/DC開關電容變換器拓撲還不成熟，大部分變換器工作特性對拓撲有一定的依賴性，因而在原理上發(fā)展DC/DC開關電容變換器將是今后值得探索的一個方向。此外，DC/DC開關電容變換器的控制技術也有待發(fā)展，以取得更加理想的電路特性。本課題研究的主要內容和技術方案本課題研究的主要內容和技術方案 本課題準備研究一個開關電容DC/DC升壓變

4、換器，其技術指標如下： 輸入電壓范圍:17V-19V 額定輸出電壓:Vo48V 額定輸出電流:Io1A 額定輸出功率:48W 輸出電壓紋波:小于2%主電路圖設計主電路圖的優(yōu)點 可以提高開關電容變換器的功率。對于開關電容變換器， 功率傳輸能力主要體現(xiàn)在傳輸電量的能力，很顯然，采用這種對稱結構可以提高開關電容變換器的電量傳輸能力 可以保證輸入電流連續(xù)，這樣就能夠有效抑制輸入電流畸變和降低電磁干擾。 可以改善占空比調節(jié)的性能。擬解決的關鍵問題之一 PWM控制技術廣泛的應用于電力電子變換器中，自然，在開關電容變換器中最先引入的就是PWM控制方法，并且取得了一定的成功。雖然開關電容變換器的輸入直流脈動和

5、輸出電壓紋波的問題在PWM控制中得到一定的解決，可是由于PWM控制中電容的充電電流是指數(shù)型的，很快就接近零，因此能夠調節(jié)的有效時間都比較短，而且當開關頻率比較高時，占空比調節(jié)很難精確實現(xiàn)，這樣實際上限制了它的調節(jié)范圍，并且開關承受的電流應力較大；另外，PWM控制方法是以輸出電壓或者開關管的電流作為反饋信號來調節(jié)占空比，然而占空比信號的變化不能即時跟隨輸入電壓或負載的變化，因而PWM控制方法的動態(tài)調節(jié)響應較慢?？偟膩碚f，PWM控制得到的特性還不夠理想。 基于上述原因，對于本次研究打算采用一種新的控制策略，即準開關控制技術結合電壓跟隨控制技術。準開關控制技術 可以看出，自然充電波形為零電流關斷，但

6、它是不可調的；PWM控制的電流波形是脈動的會造成一定的EMI問題，而且開關應力比較大；準開關控制的電流波形最好，沒有脈動，開關應力相應也小一些。 和PWM方式比較，準開關控制的輸入電流為充電放電電流之和，脈動不大，因此沒有大的EMI問題；雖然也是硬開關，開關應力不算大。總的看來，它和PWM控制僅在充電階段的電流波形有所不同，由電容能量損失的公式： 可以看出，由于電容能量損失只取決于初始和最終的電壓，和開關的控制策略無關，因此其轉換效率和傳統(tǒng)PWM方式是一樣的?？偟目磥?，準開關控制對開關電容變換器中的三個問題都做了比較好的解決，明顯優(yōu)于PWM控制。221()() 2losssCisCfEC VV

7、VV 通過前面的分析可知，采用準開關控制技術能夠很好的控制輸入端電流波形的脈動，可是該方法對于變換器輸出直流電壓波形的脈動問題無能為力。若采用增大輸出電容來減小輸出電壓的紋波，勢必違背了開關電容變換器的初衷。這里我們可以采用電壓跟隨控制技術來達到這個目的。電壓跟隨控制技術 電壓跟隨控制的思想很簡單，以右圖的電路為例，若ul為額定的穩(wěn)壓輸出,ue為設定的輸出電壓最大偏移量，其控制原理是：當輸出電壓uo低于允許下限(ulue)時，進入狀態(tài)一：us串聯(lián)c1對c0和R充電，uo逐漸上升。當uo高于允許上限(ul+ue)時，進入狀態(tài)二：us對c1充電，c0維持R上的輸出電壓，從而uo逐漸下降，當輸出電壓

8、uo低于允許下限(uLue)時，又進入狀態(tài)一，這樣輸出電壓就被控制在設計范圍之內。即ulueuoul+ue。該控制技術的優(yōu)點是：輸出電壓變比可以很大，輸出紋波理論上可以精確控制，對電路的件參數(shù)不敏感。 結論：將準開關控制技術和電壓跟隨控制技術結合使用，可以同時對開關電容變換器的輸入電流波形的脈動和輸出電壓波形的脈動進行很好的控制。擬解決的關鍵問題之二 前面所討論的控制方法均屬于能耗控制，電路的效率并不高。由于電路的損耗與開關管的導通電阻、二極管的正向導通壓降、各電容的等效串聯(lián)阻抗等有關，因此，為了減小損耗，提高電路的效率，我們可以將軟開關技術引入開關電容變換器，來減小開關管的損耗。 開關電容變

9、換器軟開關技術的基本思想是：在主電路中引入小電感（為了便于集成），使之與電容串聯(lián)諧振。由于電感電流不能突變，因此，可以實現(xiàn)開關管的零電流開關。諧振型開關電容變換器主電圖 可以看出：將小電感引入開關電容變換器，可以實現(xiàn)開關管的零電流開關，從而大大減小開關管的損耗，提高電路的變換效率，因而這種電路更適合高頻工作。 由于電感和電容串聯(lián)諧振，從而抑止了電容充放電電流的脈動問題，因此該電路的EMI問題大大減少，可適用于大功率場合?？偨Y與展望 硬開關型開關電容變換器采用準電流控制技術和電壓跟隨控制技術結合的方法可以減少輸入電流和輸出電壓的脈動，而且輸出電壓的大小可以在比較大的范圍內調節(jié)。其缺點是開關損耗大，電路效率不高。因此，它適用于對輸出電壓要求高，對效率要求不太高的場合。 諧振型開關電容變換器可以使開關管零電流開關，開關損耗大大