直流电变换器(罗氏).pdf

开关电通D C J D C 变换 利用开关电容器做成的二象限 直流电压变换器 罗方林新加坡南洋理 工大学叶红 译 西安交通大学电 气学院 摘 叙 要 经典的D C D C 变换器 象b u c k 变换器 b o o s t 变换器 B u c k h o o s t 变换器 C A变换器和罗氏变换器 通常都是由 电感和电 容组成 因为电路中存在着电感 所有经典的变换器体积大而功率密度低 由 于开关电容可以 集成在功率 半导休集成芯片上 所以它们被成功地应用于无感D C D C 变换器 中 并开拓了设计高功率密度变换器的方法 然而 在文献中已有的多数变换器都是单象限运 行 其中一些工作在推挽状态下 它们的控制电 路和拓扑是很复杂的 本文介绍一种新型的变 换器 通过开关电容 它可以 实现二象限 D C 变换 由于这种变换器应用了电压举升和电流 放大技术 所以它具有高功率 密度 高 功率传抢效率和低电磁干扰等优点 实验结果证实它确实 具备上述特点 词 二象限运行开关电容电压举升技术电流放大技术 T w o 一 Q u a d r a t D C D C C o n v e r t e r b y U s i n g S w i t c h e d 一C a p a c i t o r s P r o f F a n g L 助 Y e h o n g A b s tr a t 3 C l a s s i c a l D C D C c o n v e r t e rs u s u a ll y c o n s i s t o f i n d u c t o r s a n d c a p a c t i t o r s s u c h a s b u c k c o n v e rt e r b o o s t 二 v e rt e r b u c k 一 bo a s t c o n v e r t e r C u k 一C o n v e r t e r s a n d I n 一 C o n v e r t e r s B e c a u s e o f i n d u c t o r s a ll c l a s s i c a l c o n v e r t e r h a s 吨 a n d l o w p o w e r d e n s i t y S i n c e s w i t c h e d 一 a p a c t i to r s c a n b e i n t e gr a t e d i n t o p o w e r s e m i c o n d u c to r I C c h ip s t h e y h a v e b ee n s u c ce s s f u ll y e m p l o y e d i n t h e i r d u e t o r l e s s D C D C c o n v e rt e r s a n d o p e n e d t h e w a y t o b u i l d d ie c o n v e r t e r s w i th h ig h p o w e r d e n s ity 物w e v e r m u s t o f th e s e in 此h t p e r f o r m s 吨le 一 q u a d ra n t o p e r a t io n S a n e o f t h e m w o r k i n t h e p u s l 一 p u ll s ta t u s a n d th e i r c o nt ro l c i r c u i t a n d t o p o l o g ie s v e ry c o o p l e s l l r i s p o p e r i n t ro d u ce s a c o n v e r te r h a t c a n 碘 而n n t w o 一 q u a d r a n t D 山 以 w 油s w i t c h e d ce 盆 r a c i to r s B e c a u s e 面 c o n v e r t e r im p l e m en t s v o lta g e 一 l ift a n d c u r re n t a m p li fic a t io n te c h n iq u e it h a s th e a d v a n ta g e s o f h 妙 p o w e r d e n s ity h ig h p o w e r t r a n s f e r e f fi c ie n c y a n d 俪 II 1 II 1 h e e x p e r im e n ta l r e s u l t s v e 丙 i ts c h a r a c t e r i s ti c s K e y w o r d s t w o 一 q u a d r a n t o p e ra ti o n s w i t c h e d c a p a c i t o r v o l 恤 罗业 且 e c h n i q u e a u u e n t a m p l ifi c a t i o n t e c h n i q u e 1 前言 D C D C 变换器广泛应用于计算机硬件和工业应用上 如 计算机外设电源 汽车辅助电源 医疗设备和伺服马达粗动器 近年来DC DC 变换器技术有了 很大发展 许 多新型的变换器 被 开发出 来 如 罗氏 变换器和C U E 变换器I I 5 主要目 的 是要 实现高效率和高功率密度 然而 由 于经典的D C D C 变换器 如b m i 变换器 b o o s t 变换器 b 11C k 一 阴t 变换器 罗氏变换器和 C U E 变换器 是由电容和电感组成 它们的体积大 而且在进行 高频5 0 K H 一 2 0 0 M 单向变换时 其功率密度最高仅能做到 1 6 4 绝 十三场全国电洲技术年会论文典 匕 卜几 r几 r r 1 1 r ILrll 1 1 111 开关电源 D C D C 变换 5 W i 4 由于开关频率很高 导 致电 滋干扰 E M I 很强口 到 八 十 年 代 左 右 才 发 展全 仅 含电 容的 新 型D C D C 变 换 器 由 于它可以集成在一片功率半导体集成芯片里 近年来引 起很多 研究者的注意 但是文献中 介绍的大部分这种变换器都 是单象限 运行 它们中的一些工作在推挽状态下 其控制电路 和 拓扑 很复杂 1 6 7 1 一 种新设计出来的D C D C 变换器 二象限开关电容D C D C 变 换摇 是作者 从研究工作成果中开发出 来的 这种变换器采 用电压举升和电流放大技术 确实能实理高功率密度和高功串 传 艳效 率 同 时它采用低开关频率了 5 1 Q I z 成功地降 低了电 徽干扰 旧 这种具有高功率密度 低电磁干扰和简易班价 结构的变换器能完成二象限从正到正的D C D C 升压和降压变 换 文 献里的大部分文章通常选择导通占空比K为K二 0 5 我们仔细分析和计算了这一问题 证实这一选择是合理 2 电路说明 二 象限开关电容D C D C 变换器电路如图I 所示 它由九 个开关 七个二极管和三个电容组成 通常认为高压 R V 电源 和低压 L V 负故郁是恒定电压 负载可以是电池或马达的反 电 势 E M F 如电像电 压为铭V 负载电压为1 4 V 有两种运行 棋式 1 模式A 象限I 电能由R V 端向L V 端传递 3 r d 二 1 2 n 压降 为2 Y 二 I V 开 关关断 状态 如图2 b 所示 开 关S 2 S 和S 4 接通 二极管D s D 9 和D o 导 通 其 余的开关 和 二极管都关断 此时电容C 几和几 通过回路凡 S 和 S 4 I L 几 D q 和丐 C l C 2 和伪 放电 电 容C 几和几 上 的电压减小 等效电 路中的电阻为R r r 二 0 5 2 压降 为Y p 二 0 5 V 电容C C 2 和C 3 传物电源能2给负载 电容 C 上的电 压波形如图2 c 所示 模式A 采用电流放大技术 在开关接通期间 这三个电容 申联充电 钧人电流流过三个电容 每个电容上积泉的电荷相 同 在开关关断期间 这三个电容并联放电 因此恤出电流放 大三倍 2 2 模式B 模式B 时 开关接通状态如图3 a 所示 开关S e S 9 和S ID 接 通 二 极 管D z D S 和D 4 导 通 其 余的 开 关和 二 极管 关断 此 时 这三 个电容通过各自 的回路 F L D z D 和D C C z 和 C S E S 9 和S ao 充电 三个电容上的电压增大 每个回路中 的 等 效 电 阻 为R e 二 r r e 压降为八 开关关 断 状态如图3 b 所示 开 关S 5 S 6 和5 7 接通 二极管D 导通 其余的开关 和二极管关断 此时所有的电容通过回路 F L S 7 C S 6 C z S 5 C D F H 放电 电容上的电压减小 等效电 路的电阻为 R F 二 3 r r d 压降为F D 电 容C 上的电 压波 形如 图3 c 所 刀花 模式B 采用电压举升技术 在开关接通期间 这三个电容 并联充电 翰人电压均等地加在三个电容上 因此每个电容上 的电压相同 在开关关断期间 这些电 容申联起来放电 因此 轴出电压提高三 倍 2 3 总结 在电路中 R W二 0 1 2 n R m二 0 0 5 n R w二 0 5 n R lw二 0 1 5 8 开关状态如表1 所示 农1开关状 奋 空自 状杏农示 关断 图百 二象限开关电容D C D C 变换器 2 棋式以象限n 电能由L V 端向H V 端传递 每 种棋式都有 通 和 断 两种状态 通常每一种状态运行 在 不同 的占 空比 下 开关的重复周期是T 1 t 其中f 是开关 颇 率 开 关 都 选 用功 率M D S m 器件 其内 阻 是 其它还必 须考 虑 的因 索有 所有电 容的等效 阻拢为 所有二极 管上的等 效压降为肠 通常我们选择三个具有相同的容2的电容C 二 C l 二 C 2 二C 3 o 参考数据如下 r 二 0 0 3 n r 0 0 2 n和肠二 0 5 V f 5 1INa C 二 5 0 0 0 1A F 2 1 模式A 棋 式A 时 开关 接通 状如图2 e 所示 开关S 和S IG 接通 二 极 管D S 和D 6 导通 其余的 开 关和二 极管关断 此时电容 通 过回 路V H 一 S 一 C 一 D5一 C Z 一 D 6 一 C 3 一 S 充电 同时电 容C 几和价上的电压增大 等效电路中的电阻为R u二 2 r 开关 棋式 A模式 B 接通关断接通关断 S 通 乌 通 S S S 通 D D 3 D 通 S 6 S 6 S 7通 几 D 6通 S e S 9通 S I G通通 几 氏 D 6通 绝十三届全国电派技术年会论文集 1 6 5 4 a 口口 开关电 想 D C D C 变 换 S t S i o D 5 D 6 O n S 2 S 3 S 4 D e D S D i o O n r r i r ia S 715 V x 小 索令 C 冷个 V L cl伪臼 51 司小 分 叭 接通 b 关断 图2 棋式人运行 c 电压和电沈故形 S t S S S x 1 D 2 D 3 山 伪 所 出 出 D i加 气 1 r司J健 t 几 月 t 卜J V c e 接通 卜 关断 图3 模式B 运行 c 电压和电流波形 r 口 之 1 一 3 模式A 象限I 运行 由 图2 R 1 b 可见 电 容C 上的电 压是 取决于电 沈i s 的 积分 在开关接通期间增大 在开关关断期间减小 如果开关重 复周期T 足够小 相对于电 路时间常数而言 我们可以用其电 流的平均值取代其瞬时值的积分 因此 电 容C 上的电 压为 足够小 相对于电 路时间常数而言 我们可以用它们的初始值 而忽略其变化盘 因此流过电 容 c 上的电流为 口 2 v a t v a 0 告 fo 一 a 0 C ix O at k T 二 卜 告 止 一 卜 t k T C 2L 1 k T t T 因而 Vx 3 ya O 2 Vv R AN 卜 一 O RM C e 一 V x 3 va 2 VRR a 二 va k T V L V vR a 一 e RM C a 一v a V L VvR m 二 一 ix 3 1 k k iL 流过三个电容上的电汰是一指数函数 如果开关重 复重周期T其中3 H 是开关接通期间k T 翰人电流的平均值 等于 3 I 斌k i 提 l工 1 6 6 绪十三届全国电口技术年会论文集 开关电派 D C D C 变换 开 关关断期间 1 一 k T 输出电 流的 平均值 等于1 3 1 一 k 因此 我们得出3 1 H I L 电容C 上电 压的变化员为 率 它也只在很小范围内 对愉人 翰出 功率有影响 当人 二 0 s 时 输出功率达到最大值 山a二 或 告 T i k 丁 万I x 二 k V一 3 V 一 2 V v I C R m 0 5 t k T 二 C l i t 二 1 k T iC L 二 卜 WV 一V L 一V v 庄 况 A F k T t T 4 模式B 象限1 运行 由图3 a 和 b 可见 电容C 上的电 压是取决于电流七的 积分 在开关接通期间增大 在开关关断期间 减小 如果开关重 复周期T 足够小 我们可以用其电流的平均值取代其脾间时值 的积分 因 此 电容 C 上的电 压为 护 t 工l 经过计算得 V n二 2 4 0 6 k 4 a v 0 告 b 一 0 C IL 0 t k T v p k T 告 1 a t d t v a k T t k TC IH k V一 3 V a 一 2 V v 厂R A N一 2 4 0 6 k 少 C R A N k T t T 5 二 一 w d2 和 输出电流平均值为 二 鲁 I i 流过三个电容上的电流是一指数函数 如果开关重复周期 T 足够小 我们可以用它们的初始值而忽路其变化t 因此流过 电 容 C 上的电流为 V L Ra 0 VD R e 一 1 二 号 工 ia t dt 3 卜 卢 二 念 二 五 6 V L 一V C 一V D R e 二 L 0 t k T 输人电流平均值为 1 2 一 T A ia t 一 V 3 Va 2 V D 7 R 一 R C 艳出功率为 i D k T t T V n一V 一V P V I 二3 0 一k V 一 二 一 下 一一 a 一 一一几月 F 1 一k t L 二 芍 t t 1 3 抽人功率为 P 二 二 V V 3 V c V D 9 几A 拍 传枯效率为 其 中 五 是 开 关 接 通 期 间k T 抽 人 电 流 的 平 均 值 等 于I f k o t D 是 开 关 关断 期间 卜 劝T 抽出电流的平均值 等于I 3 1 一的 因此 我们得出4 1 D 二 L 电 容C 上电压的变化S为 k 3 V L V a 一 V L 一 V D R A N k V V D 一 3 V a一V D R A e 二 3 V L 八 二 C J1 i t 二 C IL 二 JCR 0 名 k 了 1 0 由 此方程式可见 传物效率仅与电流和负毅电压之比 有关 与 R C f 和k 值 无关 如 果了 5 K H z 珠二 4 8 V 和钱二 1 4 V 所有C 二 5 0 0 p F 对应 于不同的k 值 我们可以 得到如下数据 如表2 所示 襄z 橄式A 的计林结 或 A v 二 二 1 k T C tH C R s r k T S T 靓 矛 1了 l4l5 矛 子 kV a山L I HI L取 0 41 5 0 3 V 0 2 5 5 V6 3 6 A1 9 璐 A 8 7 5 0 51 5 1 铭V 0 2 5 9 V6 4 8 A1 9 4 4 A0 8 7 5 0 6巧 2 6 1 V0 2 4 3 V6 1 招A 1 8 2 4 A0 8 7 5 经过计算可得 V C 二 因而 一 V u 十 旱 一 V V u 御 巴k 1 一 k 4 V 一 V u 一 V 翻 M 找们有 由 分析和计算可见 导通占空比k 并不影响功率传物效 a 0 v c k T 二 Y o 一 鲁 V c d a 绝十三属全 电洲技术年会论文橄 1 6 7 一一 一 口 开关电洲D C D C 变换 输人电流平均值为 衰3 式B 的计林苗果 IL T 3 D 二 工 3 k V L V CS V oR te 十 卜 k 3 V 0 Vu V H V oR M 1 6 物出电流平均值为 k V a山aI HI I I A 0 41 2 3 V1 1 5 2 V9 6 A3 8 4 A0 8 5 7 0 51 2 5 V1 2 V1 0 A喇 A0 8 5 7 0 61 2 7 V1 1 5 2 V9 6 A3 8 4 A0 8 5 7 IH 二 T JH ia t 一 1 k 3 V a V V H V oR M 1 7 输人功率为 P 二 V h K 3 k V L V C V 0 1 一 3 V C V V H 二 V I I 一五爪压 输出功率为 P O 二 传抢效率为 1 8 VH IH 二 一 3 V C V V H VD 19 R H 二 P O 二V H P I 4叭 2 0 由 此方程式可见 传输效率仅与电 浑和负峨电 压之比 有关 与R C f Q k 值无 关 如果f S I Q h V H 二 4 8 V 和V 二 1 4 V 所 有C 二 5 0 0 0 P I 对应子不同的k 值 我们可以得到如下数据 如 表3 所示 由 分析和计算可见 导通占空比 k 并不影响功率传抢效 率 它也只在很小范围内对抽人 输出功率有影响 当毛 0 5 时 输出功率达到最大值 4 5 实验结果 美国麻省理工学院 MI 的卡沙基安教搜是世界首席研究 学者 他设计出了一种新的电流供电系统 应用于未来世界的 全 新 型 汽 车 e 其核 心找是1 4 V 至4 8 V D C 间 的二象 限D C D C 变换器 这种变换攀已被开发 并在本文中傲了介绍 它是一 种无感开关电容二象限D C D C 变换器 用于直流1 4 V至4 8 V间 的双向 变换 由于没有电感 它的尺寸很小 因而具有高效 高 功率密度 和摘易廉价的优点 侧试装各包括一个 V D C 的现代汽车电池做为负载和一 个4 8 V D C 的直滋电派 洲试条件如下 开关颇率 了 二 5 M 导通占 空比 k 0 5 高 低 电 压 蛛二 4 8 V 和凡二 1 4 V 所有电 容