本發(fā)明屬于電力電子的一種開關(guān)電容變換器，具體涉及了一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路。

背景技術(shù)：

1、隨著電能在各環(huán)節(jié)中的直流化需求日漸顯著，直流變換器的性能要求與應(yīng)用場景愈發(fā)多樣。開關(guān)電容變換器(scc)是dc-dc變換器的一個分支。開關(guān)電容變換器中唯一的電能傳輸元件是電容，可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高增益的電壓變換。開關(guān)電容省去了電感、變壓器等磁性元件，能夠?qū)崿F(xiàn)電路在開關(guān)頻率幾百千赫茲甚至上兆赫茲下的高頻工作，因此scc具備高集成度、高功率密度、低電磁干擾等優(yōu)勢。

2、近些年來，scc因其體積小和效率高在毫瓦級別的芯片供電、百瓦級別的手機快充、千瓦級別的數(shù)據(jù)中心、百千瓦級別的電動汽車等各大工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3、4：1開關(guān)電容變換器可滿足便攜式設(shè)備中增加充電功率但又要避免電池串聯(lián)的設(shè)計要求，因此應(yīng)用于便攜式設(shè)備的4：1開關(guān)電容變換器拓撲結(jié)構(gòu)得到了廣泛研究。4：1開關(guān)電容變換器可以通過元件的不同組合與連接產(chǎn)生大量的不同拓撲結(jié)構(gòu)，不同的拓撲結(jié)構(gòu)所具有的效率與成本差異較大，存在很多性能較差的拓撲結(jié)構(gòu)。因此，有必要提出一種既能提高系統(tǒng)效率，又能降低成本的變換器拓撲電路。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中存在的問題和需求，本發(fā)明提供了一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路。本發(fā)明提出的開關(guān)電容變換器拓撲電路具有優(yōu)良的性能，可以解決應(yīng)用場景中對高效率拓撲的需求。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一、一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路

4、所述開關(guān)電容變換器拓撲電路包括相連的前級開關(guān)電容單元和負載單元，所述前級開關(guān)電容單元包括第一開關(guān)管q1、第二開關(guān)管q2、第三開關(guān)管q3、第四開關(guān)管q4、第五開關(guān)管q5、第六開關(guān)管q6、第七開關(guān)管q7、第八開關(guān)管q8、第九開關(guān)管q9、第十開關(guān)管q10、第十一開關(guān)管q11、第十二開關(guān)管q12、第十三開關(guān)管q13、第十四開關(guān)管q14、第一飛跨電容c1、第二飛跨電容c2、第三飛跨電容c3以及第四飛跨電容c4；第一開關(guān)管q1的漏極和第二開關(guān)管q2的漏極相連并且兩者的連接點處記為第一外接端口，第一外接端口處形成輸入電壓vin，輸入直流電壓源vin的正極與第一外接端口相連，輸入直流電壓源vin的負極接地，第二開關(guān)管q2的源極與第四開關(guān)管q4的漏極和第一飛跨電容c1的一端相連，第一飛跨電容c1的另一端與第五開關(guān)管q5的源極和第九開關(guān)管q9的漏極相連，第五開關(guān)管q5的漏極與第三開關(guān)管q3的源極、第六開關(guān)管q6的漏極和第二飛跨電容c2的一端相連，第二飛跨電容c2的另一端與第九開關(guān)管q9的源極、q10的源極和第十三開關(guān)管q13的漏極相連，第十三開關(guān)管q13的源極與地相連，第一開關(guān)管q1的源極與第三開關(guān)管q3的漏極和第四飛跨電容c4的一端相連，第四飛跨電容c4的另一端與第八開關(guān)管q8的源極和第十二開關(guān)管q12的漏極相連，第八開關(guān)管q8的漏極與第四開關(guān)管q4的源極、第七開關(guān)管q7的漏極和第三飛跨電容c3的一端相連，第三飛跨電容c3的另一端與第十一開關(guān)管q11的源極、第十二開關(guān)管q12的源極和第十四開關(guān)管q14的漏極相連，第十四開關(guān)管q14的源極與地相連，第六開關(guān)管q6的源極、第七開關(guān)管q7的源極、第十開關(guān)管q10的漏極、第十一開關(guān)管q11的漏極相連并且將連接點處記為第二外接端口，第二外接端口與負載單元的一端相連，負載單元的另一端接地，第二外接端口與地之間形成輸出電壓vout，輸出電壓vout和輸入電壓vin之間滿足vout＝vin/4。

5、所述負載單元包括并聯(lián)的輸出電容cout和負載rl；輸出電容cout的一端和負載rl的一端均與第二外接端口相連，輸出電容cout的另一端和負載rl的另一端均接地。

6、所述的高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路包含兩種工作模態(tài)；

7、當?shù)谝婚_關(guān)管q1、第四開關(guān)管q4、第六開關(guān)管q6、第八開關(guān)管q8、第九開關(guān)管q9、第十一開關(guān)管q11、第十三開關(guān)管q13導通，其余開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)電容變換器拓撲電路工作在第一工作模態(tài)；

8、當?shù)诙_關(guān)管q2、第三開關(guān)管q3、第五開關(guān)管q5、第七開關(guān)管q7、第十開關(guān)管q10、第十二開關(guān)管q12、第十四開關(guān)管q14導通，其余開關(guān)管關(guān)斷時，開關(guān)電容變換器拓撲電路工作在第二工作模態(tài)。

9、所述將負載單元和輸入直流電壓源vin互換，使得第一外接端口與負載單元相連，所述第二外接端口與輸入直流電壓源vin相連，則輸出電壓vout和輸入電壓vin之間滿足vout＝4vin。

10、二、一種電路板

11、所述電路板包含所述的一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

13、1、本發(fā)明提出的拓撲具有較高的變換器轉(zhuǎn)換效率，并且開關(guān)數(shù)量較少。

14、2、本發(fā)明所述拓撲既可作降壓變換器，也可作升壓變換器，輸入直流電壓源vin與所述負載單元可互換。當降壓變換器使用時，輸出電壓和輸入電壓關(guān)系可以表示為vout＝vin/4；當升壓變換器使用時，輸出電壓和輸入電壓關(guān)系可以表示為vout＝4vin。

技術(shù)特征：

1.一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路，其特征在于，所述開關(guān)電容變換器拓撲電路包括相連的前級開關(guān)電容單元和負載單元，所述前級開關(guān)電容單元包括第一開關(guān)管q1、第二開關(guān)管q2、第三開關(guān)管q3、第四開關(guān)管q4、第五開關(guān)管q5、第六開關(guān)管q6、第七開關(guān)管q7、第八開關(guān)管q8、第九開關(guān)管q9、第十開關(guān)管q10、第十一開關(guān)管q11、第十二開關(guān)管q12、第十三開關(guān)管q13、第十四開關(guān)管q14、第一飛跨電容c1、第二飛跨電容c2、第三飛跨電容c3以及第四飛跨電容c4；第一開關(guān)管q1的漏極和第二開關(guān)管q2的漏極相連并且兩者的連接點處記為第一外接端口，第一外接端口處形成輸入電壓vin，輸入直流電壓源vin的正極與第一外接端口相連，第二開關(guān)管q2的源極與第四開關(guān)管q4的漏極和第一飛跨電容c1的一端相連，第一飛跨電容c1的另一端與第五開關(guān)管q5的源極和第九開關(guān)管q9的漏極相連，第五開關(guān)管q5的漏極與第三開關(guān)管q3的源極、第六開關(guān)管q6的漏極和第二飛跨電容c2的一端相連，第二飛跨電容c2的另一端與第九開關(guān)管q9的源極、q10的源極和第十三開關(guān)管q13的漏極相連，第十三開關(guān)管q13的源極與地相連，第一開關(guān)管q1的源極與第三開關(guān)管q3的漏極和第四飛跨電容c4的一端相連，第四飛跨電容c4的另一端與第八開關(guān)管q8的源極和第十二開關(guān)管q12的漏極相連，第八開關(guān)管q8的漏極與第四開關(guān)管q4的源極、第七開關(guān)管q7的漏極和第三飛跨電容c3的一端相連，第三飛跨電容c3的另一端與第十一開關(guān)管q11的源極、第十二開關(guān)管q12的源極和第十四開關(guān)管q14的漏極相連，第十四開關(guān)管q14的源極與地相連，第六開關(guān)管q6的源極、第七開關(guān)管q7的源極、第十開關(guān)管q10的漏極、第十一開關(guān)管q11的漏極相連并且將連接點處記為第二外接端口，第二外接端口與負載單元的一端相連，負載單元的另一端接地，第二外接端口與地之間形成輸出電壓vout，輸出電壓vout和輸入電壓vin之間滿足vout＝vin/4。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路，其特征在于，所述的高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路包含兩種工作模態(tài)；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路，其特征在于，所述將負載單元和輸入直流電壓源vin互換，使得第一外接端口與負載單元相連，所述第二外接端口與輸入直流電壓源vin相連，則輸出電壓vout和輸入電壓vin之間滿足vout＝4vin。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路，其特征在于，所述負載單元包括并聯(lián)的輸出電容cout和負載rl；輸出電容cout的一端和負載rl的一端均與第二外接端口相連，輸出電容cout的另一端和負載rl的另一端均接地。

5.一種電路板，其特征在于，所述電路板包含權(quán)利要求1所述的一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高效率的4：1開關(guān)電容變換器拓撲電路。本發(fā)明采用十四個開關(guān)管和四個飛跨電容設(shè)計了一種開關(guān)電容變換器拓撲電路。該拓撲電路的輸入直流電壓源V<subgt;in</subgt;與負載單元可互換，因此既可作降壓變換器，也可作升壓變換器。當降壓變換器使用時，輸出電壓和輸入電壓關(guān)系可以表示為V<subgt;out</subgt;＝V<subgt;in</subgt;/4；當升壓變換器使用時，輸出電壓和輸入電壓關(guān)系可以表示為V<subgt;out</subgt;＝4V<subgt;in</subgt;，其中，V<subgt;out</subgt;為輸出電壓，V<subgt;in</subgt;為輸入電壓。本發(fā)明提出的拓撲電路具有較高的變換器轉(zhuǎn)換效率，并且開關(guān)數(shù)量較少，成本較低。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧焰,朱基宏,曹鑫陽,李子康
受保護的技術(shù)使用者：浙江大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6