（电力电子与电力传动专业论文）开关电容dcdc变换器的研究.pdf

耋查堡三奎兰三兰堡圭兰堡丝圣 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dp r o g r e s s o f t e c h n o l o g y o fs e m i c o n d u c t o ra n d m i c r o e l e c t r o n i c sa n di n c r e a s i n ga p p e a r a n c eo fh i g h d e n s i t yi n t e g r a t i o n 、 p o w e r f u ll a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h es i z ea n dw e i g h to fv a r i o u s e q u i p m e n t sb e c o m es m a l l e r a n ds m a l l e r t os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to f m i n i a t u r i z a t i o no f e l e c t r o n i cd e v i c e s ，p o w e rs u p p l i e s w i t h h i g h e r e f f i c i e n c y 、s m a l l e r s i z ea n d l i g h t e rw e i g h t a r e b e i n g a n x i o ust ob e d e v e l o p e d f o rt h ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h es i z ea n dl i g h t e n i n gt h ew e i g h t o f p o w e rs u p p l i e s ，t h e m o s te f f e c t i v e a p p r o a c h i st oi n c r e a s et h e s w i t c h i n gf r e q u e n c y h o w e v e r ，w h e nt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yr e a c h e s u p t o4 0 0 k h z - 5 0 0 h zo rs o ，e n e r g yl o sso ft h em a i ns w i t c h e sa n dm a g n e t i c c o m p o n e n t sw i l li n c r e a s e ，e f f i c i e n c y w i l ld e c r e a s e ，n o i s ea n dc a p a c i t o r o ff i l t e rf o rr e s t r a i n i n gn o i s ew i l li n c r e a s eo b v i o u s l y ，s oi n c r e a s i n gt h e s w i t c h i n gf r e q u e n c ya g a i nc a no n l yl e a dn e g a t i v ei n f l u e n c e s t h e r ei s n o m a r g i nt om i n i a t u r i z ep o w e rs u p p l yi n d e p t hb ym e a n so fi n c r e a s i n gt h e s w i t c h i n gf r e q u e n c y t h ek e yf a c t o rt od e t e r m i n et h es i z eo fp o w e r s u p p l i e s i st h a t c o n v e n t i o n a ls w i t c h m o d e p o w e rs u p p l i e s c o n t a i n b u l k ym a g n e t i c c o m p o n e n t si n s i d e s u c ha si n d u c t o r sa n d o rt r a n s f o r m e r s t h e nan e w i d e ae m e r g e di nr e c e n ty e a r s ：u s i n gs w i t c h e d c a p a c i t o r b a s e d ( s c b a s e d ) c i r c u i tt os u b s t i t u t et h e r o l e p l a y e d b y i n d u c t o r sa n dt r a n s f o r m e r s ， s c b a s e dc i r c u i ti sm a d eu po fo n l ys w i t c h e sa n dc a p a c i t o r s c o n v e r t e r s b a s e do nt h i sn e wc o n c e p ta r ec a i l e d “s c b a s e dc o n v e r t e r s ”，f o ra b s e n c e o fm a g n e t i ce l e m e n t s ，t h i st y p eo fc o n v e r t e r sc a nb em i n i a t u r i z e df u r t h e r ， e v e nb ei n t e g r a t e di nc h i pc o n v e n i e n t l y t h i sd is s e r t a t i o n e x p a t i a t e d t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n d a c h i e v e m e n t sa b o u ts c b a s e dd c d c c o n v e r t e r s ，p r o p o s e dan e w t o p o l o g yo fs c - b a s e d c o n v e r t e rf o r s t e p - u p d c v o l t a g e c o n v e r s i o na n d m a d es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tu s i n gp w mc o n t r o ls c h e m e ，t h er e s u l t o fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n td i s p l a y e dt h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e so f t h ec o n v e r t e ra n d p r o v e d t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a l a n a l y s is i n a d d i t i o n t h isd i s s e r t a t i o na l s oi n t r o d u c e dan e wc o n t r 0 1m e t h o d i e 0 n e a b s t r a c t c y c l e c o n t r o l m e t h o d ，a t t e m p t e d t om a k e c l o s e l o o p s i m u l a t i o n b y c o m p u t e r ，a n da n a l y z e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n k e y w or d s ：s w i t c h e d c a p a c i t 0r ( s c ) ；d c d c c 0 n v er t er ；e q u iv a ie n t e ie c tr ic a ia u an t i t yr e ia t i0 nm e t h o d ( e e o r ) i h 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名交j 采哥日期：力哆年s 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权 书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：支d 不哥 导师签名： 日期：2 0 0 3年5 月1 9 日 日期：劲哆年5 月) 7 日 第一章绪论 引言 第一章绪论 “电能”作为一种没有污染、可再生的“绿色能源”，已经广泛应用 于生产生活的各个领域。什么是电源? 很难用一句话概括。在不同的应 用场合，对电能质量的要求也不相同。绝大部分的电是由发电厂生产发 送的，称为“市电”。白炽灯、电炉、交流电动机等只要接通市电就能正 常工作，这种电能称为“一次电能”；但是有些用电设备对电能有着更高 的要求，很多场合需要稳压供电，电网不稳会给用电设备带来很多麻烦， 甚至不能正常工作，这有赖于电能变换加以调整，利用电能变换技术将 市电或者电池等一次电能转换成适合各种用电对象的装置称为“二次电 能”，也即本文所说的“电源”。 上述电能变换主要体现在变压、调压、整流、滤波、变换等。而这 些基本的电能变换是通过一系列的技术方法实现的，并且这些技术方法 分别适用于不同的环境和要求。 1 1 稳定电源的分类 按电路中功率管的工作方式，稳定电源可以分为线性稳压电源和开关 稳压电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，开关电源是在线性 电源的基础上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷。 1 1 1 线性电源 、 功率管 ， 工频整流 f 跫 变压滤波 留腐懂 器电路 _ _ 图1 - 1 线性电源原理图 所谓线性电源，就是指在电源电路中调整功率管工作在线性放大区 的稳压电源。其工作过程为：将2 2 0 v 、5 0 h z 的工频电压经过线性变压器 华南理工大学工学硕士学位论文 降压以后，樽经过艇流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波和稳压性 姥魏耱合要求夔蠢滚毫压。荬缀理框圈躲蚕l l 繇示。 线性电源的优点是： ( 1 ) 电压稳定度及受载稳定度褰。 ( 2 )输出纹波电压很小。 ( 3 ) 电路戆爨态响应遮霾浃。 ( 4 ) 电路结构简单，故障率低，便于维修。 ( 5 )没有麓频开关于撬。 线性电源的缺点是： ( 1 ) 功耗大、效率低，其效率只有3 5 4 5 。 ( 2 )体积、重量大，难以小型化。 ( 3 ) 滤波电容的窖值较大。 造成这魑缺点的原因是：i 从圈卜l 中可以看到，功率晶体管在 整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体 管本身的功耗与输出电流成正眈。这样功率醅体管本身的功耗就会随电 源的输出功率的增大而增大。为保证功率晶体管能正常工作，除选用功 率大鹩管子外，还必须绘管子加上较大的散热片。i i 线性稳压毫源使藤 了5 0 h z 工频降压变压器，它的效率只有8 0 9 0 。这样不但增加了电 源的体积帮壅量，而且逸大大降低了曦源的效率。i i i 蠢于工作频率淹 5 0 h z ，所以要降低输出电压中纹波电滕的峰峰值，就必须增大滤波电容 静容缀。 ， 。2 开关电源 磊姜莓 ，聂i 嚣j 整流控# ，幽 滤浚匾蔓h 堕巫h 雪i 电路 网 鬻1 - 2 舞关毫滚霖理莲 所谓开关电源是指调整功率开关管以开关方式进行工作的稳压电 源，英文缩写秀s p s ( s w t c h i n gp o w e r s u p p ly ) 。强1 2 绘出了牙关电源 的原理框图。实际上，开关电源的核心部分是一个盥流变换器。利用崮 2 第一章绪论 流变换器可以把一种直流电压变换成极性、数值不同的多种直流电压。 开关电源的优点是： ( 1 )功耗小、效率高。图卜2 中，功率晶体管在激励信号的激 励下，交替工作在导通一截止的开关状态，转换速度很快，频 率一般在几十到几百k h z 。这就使得功率晶体管的损耗较小， 电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到8 0 以上。 ( 2 )体积小、重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且 在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后，又省去了较大的散热 片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。 ( 3 ) 稳压范围较宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的 占空比来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进 行补偿。在工频电网电压有较大或负载有较大变化时，它仍能 保证有叫稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。 ( 4 )滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。 开关稳压电源的工作频率基本上在5 0 k h z ，是线性稳压电源 频率的1 0 0 0 倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减小 很多。 其缺点是： ( 1 )存在较为严重的开关干扰。功率晶体管工作在开关状态，它 产生的交流电压和电流会通过电路中的其他器件产生尖峰干 扰和谐波干扰，这些干扰如不能得到抑制、消除和屏蔽，就会 严重地影响整个电源系统的正常工作。此外由于没有工频变压 器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其它电子仪 器、设备受到严重的干扰。 ( 2 )电路结构相对于线性电源复杂得多，故障率高，维修困难。 1 2开关电源的发展现状 开关电源从七十年代开始迅速普及，如今已经广泛地应用于计算机、 通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。迄今，开关电源厂家一 直在探讨电路技术、开发新器件及新材料、改进装连方法等方面进行努 力，以缩小体积、减轻重量、提高效率和可靠性、降低价格，并已经取 得若干进展；最近，开关电源面临的新课题，是环境适配性，包括噪声 与谐波等的电磁适配性、同人类之间的安全适配性等。 为了使开关电源达到缩小体积、减轻重量及降低价格的目的，最有 华南理工大学工学硕士学位论文 效的手段就是提高其开关频率，在七十年代，当开关电源刚开始普及的 时缦，英并关频率仅为2 0 k h z 意右：菇来，邋遥提高变压器、掇滚壅及 滤波器等的开关频率的方式，开关电源的体积得到大幅度的缩小。在这 段黧阏疼，一些逶蠲于离频懿嚣 孛开发窭寒，替代了琢来熟器箨。镄翔， 主开关采用开关时间较短的m o s f e t ( 金属氧化物场效应晶体管) 替代原 来兹双援晶体管，二辍警采嗣纛滚复露阉且歪彝电篷降较小豹巍特基势 垒二极管替代原来的扩散结型二极管。然而，在历来采用的矩形波开关 方式中，当开关频率达裂4 0 0 k h z 一5 0 0 k h z 左右时，主开关与磁世元 牛麴 损耗增加，效率下降、噪声增加，用于抑制噪声的滤波器电容的体积随 之增大，再撬高开关频率，只施带来受蘑豹影响。 1 ，3开关电容d c d c 变换技术 1 3 1 研究开关电容d c - d c 鼗换器的意义 豳于传统的开关电源中含静电感和变压器等磁性元件，从而使开关 电源黔体积不能进一步地减小，如上所述，通过增加工作频率的方法来 缩小电源的体积会有一个限度，而且随着频率的增加，会产生很多负藤 的影响。于是近年来，人们提出了一种新的设想，就是仅使用电容和开 关管米实现瘴：流毫匿变换。采瘸开关毫容网络实现d c d c 交换奔很多鼹 而易见的优点： ( 1 ) 麓够迸一步缝舔小电源静体积，由于没有笨重豹磁往元侔，缀 易于在芯片中实现集成。 ( 2 ) 悫于不含有磁骸元 孛，因舔辘够大大降低龟磁予虢闯怒。 因而基于这种变换技术的开关电源非常适用于些小裂化设备，随着 臻毫 备的小型化，开关电容d c - d c 变换器将具有广阔的应用前最。 1 3 2 开关电容d c - d c 变换器的发展状况 近年来，开关龟容p c d e 交换技术己经敬褥了疆大懿避震，各耱据 扑结构层出不穷，文献【1 】【4 】介绍了几种基于开关电容的d c d c 交换器，餐楚由予电压交院受壤羚结聿弩静限翻，该嶷换器戆毫压调节貔 力很麓，即：输入电压变化时，输出电压难以保持在一个稳定值，而且 输密静电垂纹波较大。文献【5 】提窭了一释瑟熬开关电容d c d c 变换器， 该变换器能够提供一种可调的电压变比，但是输出纹波很大，而且效率 4 第一章绪论 很低。文献【6 】提出了一种新的降压d c d c 变换器的拓扑结构，克服了 早期开关电容变换器的缺点。 文献【7 】在总结以往工作的基础上，提出了开关电容d c d c 变换器 的统一模型，并根据电容在传输能量过程中的电量守恒原理，提出了一 种简化的分析方法：等效电量关系法( e e o r ) 。此外，文献【8 】论述了 将开关电容网络与传统的开关变换器相结合以改善开关变换器的性能。 经过多年的发展，开关电容d c d c 变换技术日益成熟，目前已有一 些系列的开关电容变换器产品问世，如国家半导体公司生产的l m 2 7 8 8 、 l m 2 7 9 8 等。 1 4 本文内容安排 本文的研究内容可分为三个部分： 1 开关电容d c - d c 变换器的理论研究 本文第二章介绍了开关电容d c d c 变换器的统一模型及其工作原 理，并从理论上研究了开关电容d c d c 变换器的效率及改善效率的方法、 进行稳态分析的方法，分析了各种控制方法以及工程设计方法，为后续 章节的实验电路设计奠定了理论基础。 2 一种基于p w m 控制方法的开关电容d c d c 变换器的研究 本文第三章提出了一种新型的开关电容升压d c d c 变换器拓扑结 构，并采用了p w m 控制方法进行了仿真和实验，利用第二章的理论知识 对该变换器进行了稳态分析，仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。 3 利用单周期控制方法改善该变换器的动态性能 本文第四章提出了一种新的控制方案，即单周期控制方法。介绍了 单周期控制方法的基本原理，并进行了计算机闭环仿真，对仿真结果进 行了分析。 牮南瑾工大学工学酸圭学位论文 第二章开关电容d c d c 变换器的理论研究 7 0 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种用电设 备逐浠囊小整纯方自发最，穗应逡，磅究与之黧套豹镩获小，重量轻，效率 高的电源已成为研究者们感兴趣的重聚课题。传统的开关电源采用软开 关技术，逶遮提裹开关频率可数臻，l 、电源戆钵稷，毽跫虫予结棱中含有墩 感和变压器，因而限制了电源体积的进一步缩小。如今虽然已有片状电感 翔整，但仍然不戆令人满爨。避年寒，入翻提感了一糖瑟型豹开关邀容变 换器，这种变换器结构中不含电感和变压器，仪由电容网络和开关管构成 因此可望避一步缨小电源懿体毅，甚至在芯片中实琰集成，基于这些显蔫 的优点，这种变换器愈来愈引起研究者们的广泛兴趣。 2 1 开关电容d c - d c 蜜换器的掭扑结构及工作原理静3 2 。 秀美电容d e d g 变换溪的统一模避及王 睾原理 c i 上= c i z ：c i j s i l3 i 圣厂 厂 ：i ? n 厂 t ot lt 2 鬻2 1 秀美毫褰e d e 蹩换嚣熬统一搂墼 6 r t 第二章开关电容d c d c 变换器的理论研究 斟! ： c0寸 c l l = c l 0 r 1 图2 - 2 ( a ) 二阶串并电容组合开关电容图2 - 2 ( b ) 基本开关电容d c d c 变 换器( b s c ) d c d c 变换器( s p s c ) 开关电容d c d c 变换器的统一模型如图2 1 所示，其中s 代表功率开 关，c 。代表n 。阶的串并电容组合结构，阶数n ，为其中的电容个数，下标f 代 表第f 级串并电容组合结构。串并电容组合结构是由电容( 通常取值相同) 和二极管构成的，其中的电容具有串联充电，并联放电的特性，如图2 2 ( a ) 虚线框中为二阶串并电容组合结构，图2 2 ( b ) 为基本的开关电容 d c d c 变换器。 开关电容d c d c 变换器一般具有两个状态，在状态a ，s 。和s ，。导通， s ，。截止，c ，c 。并联充电，而根据串并电容组合结构的特点，构成c 。 的n 。个电容c 。却呈串联状态；同样地，在状态b ，s 。和s ；。截止，s 。导通， c c 。串联放电，而构成c ，的n ，个电容c 藉口呈并联状态。在状态a ，c 。放 电提供负载电流，在状态b ，c ，c 。向c 0 补充电量。同时c 。起到输出滤 波的作用，这样便能得到一个平滑的输出电压。 2 1 2 几种开关电容网络及其对d c d c 变换器- 性能的改善阳 传统d c d c 变换器中( 如b u c k 、b 0 0 s t 和c u k 等) ，在进行较大电压 变比的升压变换或较悬殊电压变比的降压变换时，必须令功率开关工作 在很大或很小的导通比下，这影响了变换器的效率，也使变换器的动态 特性降低。将特殊的开关电容网络与传统的开关d c d c 变换器相结合， 利用s c 网络对电压进行预变换，可以改善传统变换器的性能。 2 1 2 1 串并电容组合结构( s e ri e s p ar a | | o i c a p a c it or gr o u p 简写 为s p ) 图2 3 ( a ) 为典型的串并电容组合结构( s p ) ，一般情况下构成s p 的 各个电容器取值均相等。我们定义一个s p 中所含独立电容的个数为该s p 擎素瑾工大学工学硕士学缱论文 的阶( o r d e r ) ，用n 表示，这样 图2 3 ( a ) 表示为二阶s p 。 s p 具有这样的特点：当外部 给它充电时( 即开关s ；导通，s 。 断开时) ，组成s p 的各个电容c ，； 互相串联；而当s p 放电时( 邸歼 关s 。导通，s ，断开时) ，组成s p 的各个电容c ：。互稠并联。困藏， 假如对s p 的充电状态的持续时间 程藏瞧狭态静持续辩闯分巍大予其 c 1 1 d 3 ； t 一d 2 一： 一1 i 一 t v l ： i i b d le 1 2 = - ： 圈2 - 3 ( 8 )率菸电容缀合结梅 充电状态时间常数和放电状态时间常数的话，则在稳态下n 阶s p 可以露 律一个n ：1 静降压器，瑟： u = v n ( 2 一1 ) 壤瑟采爝s p 我替傣绞p e d e 交换嚣中豹荜令毫容器，能起裂预降器 变换的作用。 2 ， 。2 。2 反转极性s e 霸缀 r e v er s e d 极性反转开关电容网络( r s c ) 可以获缨受豹电嚣变换关系，慕结 构如图2 3 ( b ) 所示。当 s ；导逶，s ：关断对，￥，通过s ；对电 容c 充电，极性如图2 3 ( b ) 所示； 丽当s 。导逶，s ；断歼时，电容c ，通 过s 。放电，从而达到极性反转的目 的。困此，假如对电容c ，的充电状 态的持续时间和放电状态的持续时间 s 0n e t w o r k ，麓写笼r s c ) l 1 1 v 1 弋2d 23r v 2 l 一 图2 - 3 ( b ) 发转极性s c 网络 分别大于其充电状态时间常数和放电状态时阋常数的话，则在稳态下有： k = 叫 ( 2 2 ) 如果用上述的s p 代替单独的电容c ，则可构成极性反转的串并电器 组合结构开关电容阏络( 简写r s p - s c ) ，在稳态下静 k = 叫，以 ( 2 - 3 ) 闲此采糟r s p 代替d c - d c 交换器审的单个电容器，麓怒黉电愿反转交 换的作用；采用r s p s c 代替d c d c 变换器中的单个电容器，既能起到电 压反转交换酶作舔，还熊实珉降压预交换。 8 2 第二章开关电容d c d c 变换器的理论研究 2 1 2 3 推挽s c 网络( p u s h p u | is cn e t w ork ，简写为p u s h - p u i | s c ) 推挽开关电容网络( p u s h - p u l l s c ) 的组成如图2 3 ( c ) 所示。图中 c 。、c 。c 既可以是单独的电容， 也可以采用s p 构成，c 。称作中问电 容，采用固定电容器构成。在s ，导 通，s ：截止时( 称为状态i ) ，v 经 s 。和d ，对c 充电，中间电容c 。也 经二极管对c 。充电；在s 。导通， s 。截止时( 称为状态i i ) ，v 与c ， 串联后经s 。和二极管对中间电容充 电，从而实现升压作用。 is ：”c 止“ ：止“ 卜t t v 2、，1 li b 一二c 1 m 二 二c 2 一 i 一 图2 3 ( c ) 推挽s c 网络 我们称p u s h p u l ls c 中，在s 。导通，s 。截止时，相互串联产生升压 效果的s p 的个数，为该p u s h - p u s c 的级数，则图2 3 ( c ) 为推挽二级 开关电容网络。一般地，推挽m 级开关电容网络，具有m 个中间电容。 设c 。为构成s p 中c ，的各个电容的取值，在稳态下有： 堕：堡：鉴坠 阻。， kq n 可见采用p u s h - p u l ls c 代替d c d c 变换器中的单个电容器，一般能 起到升压预变换的作用。 2 2 开关电容d c - d c 变换器的分析方法阳”1 2 2 1 状态空间平均法川2 1 状态空间平均法的基本思想就是先确定几个状态变量( 一般为电容 电压或者电感电流) ，将电路在一个工作周期之内分成几个不同的工作状 态，在每一状态下分别列写电路的状态方程，再综合考虑各个状态下的状 态方程，求出一个平均状态方程，求解这个平均状态方程即可解出各个状 态变量对时间t 的关系函数，于是电路中的各个变量( 节点电压或支路电 流) 即可求出。 状态方程的一般矩阵形式为： x = a x + b j e 9 华毒残工大学工学硕士学位论文 y 2 q x ( 2 - 5 ) 其中：x = 【x 。x ：x 。】r ，e = 眦k ：，。，：，。】7 褒瑷蚕2 - 2 ( a ) 羲二淤开关奄容d e 一0 c 变换器为铡，说明翻爱戡态空 间平均法分析开关电容变换器的具体过程。 设c t t = c t ：= c ，输出滤波电容c o = c o ，宅容e 。，帮c ；。虢串联寄生电阻为r ， 开关管的通态电阻为r ，二极管的正向服降为，电源内阻及输出电容的 寄生电阻忽略不计，状态变量x t ，x 。，x 。分别为v “，v 。v 。；e = 眦圪】。 则状态i 时： a i b= l f r ，+ 2 r ) c l ( ，t 十2 r ) c o 状态i 时： a 2 = 一1 r t + 2 ，) c 一1 ( r t 2 r 形 o o l r ，c o ! o ( r + 2 ，) c 0 1 p + 2 ，) e ， f r + 2 r ) c o 0 二一 一l ( r + 2 r ) c l ( r + 2 r ) e 2l f r + 2 r ) c or l c o ； 楚= o 二! p + 2 r ) c o 二! 扣+ 2 r 。) s 0 二 f r + 2 r ) c o 平均状态方稷的系数矩降为： a n “：d a i ：( 1 一彩龟 ；d 。墨为开关s 。的占空比；疋为工作周期d b d ) b或，= i + 3 时，开关电容d c b c 变换器 二 乍在f 氍模式； 0 2 k 3 时，汗关电容d c d c 变羧器工作在过渡模式； k 。 0 。2 时，开关电容d e d c 变换器工作农p w m 模式。 ( 4 ) 逐压控制模式“5 1 p w m 调节动态响应速度较慢，只适熙于d e d c 变换器，两逐压控制方 法具有较好的动态响应，采用同样结构的开关电容变换器，可实现d c a e 变换和构成失真小的d c a c 变换器。 观以图2 2 ( b ) 盼基本开关电容d c d c 变换器为铡阐述其工作原理， 控制电路原理图如图2 4 所示； 墼2 - 4 基本开关毫容d c - d c 燮换器逐压控剃瞧臻甄理图 变换器启动厝，当输出越过k 十k 或振荡脉冲为负时，s 。：关断，s 。】 导邋；当输出低于k 一虬且振荡脉冲为正对，s ，：导通，s ；，关断。k 是输 出电压设计值，2 矿为允许纹波电压蜂一峰值。通过振荡器提供的脉冲 信号，可以保证在变换器启动事刀始即使k 很低( 或为零) c ；也有被充电 的机会，而当k 建立起足够的电压厩，逶i 童逻辑电路封锁振荡器脉冲。 这榉，在启动初期，s 。s ，。受振荡器强制控制，以确保启动成功，稳 定磁振荡器不超作用，开关管完全出输出电压反馈控制。这就是逐压 反馈控制的基本原理，通过这种控制方法可以使输出电压限制在所设 计的动态范围之内。 华毫理工大学工学鞭学捷论文 2 4 开关电容d c - d c 变换器的效率分析6 2 4 1 基本效率分析 从能量的角度，效率可以定义如下： 群：堕：芏坠( 2 一1 7 ) y s l s z 式中，吼和弧分别是负载消耗和电源供给的能造。，和j ，分别是负 载电流和电源电流的平稳值，t 为工作褥期。职和敝也可筲作： 吼= q 。k ，= q s k ( 2 一1 8 ) 式中，骁和热分剐楚流过受载及瞧源流出的电鲞，圪为负载电压。 于是，效率为： 玎：堕。垒丝。丝( 2 1 9 ) j w sq ，s k 式中： m = ，鬈= 。 掰称蕊交换器静电嚣交跑，鬈称为交换器的本缀篷压交魄。在毽想条 件下，效率卵可以为l ，即m = k ，但通常卵 1 ，即m k ，因而m 可以认 为是瓣于一萋孛毫路结 每豹最大彀压交泌。鞋上各式对所有开关电餐e 一e 变换器均普遍适用。 对予强2 2 b ) 鲍基本开关嘏容变换器： q = q s ，7 7 = m ，k = 1 上式表囊，茏论采取赞么淫节方式，熬零嚣关电容变换爨豹效率是其魄 压变比，当变比很小时，变换器的效率就很低。这并不比线性亵换器好 多少，毽是电路却复杂褥多，爨嚣没有多大意义。 2 。4 。2 改蔫效率的方法 采用串并电容组合结构可以提高开关电释d c d c 变换器的效率。以 塑2 - 2 ( a ) 戆二狳睾势毫容组合d e 一玲c 变换器为铡遴牙分辑。 设状态i 时的充电电量为q ，状态i i 时的放电电量为q ，则利用等 效奄璧关系法可褥： qs = q = q ll = q l2 3 l = q ：2 q l ：2 q ? k = 0 5 1 4 第二章开关电容d c d c 变换器的理论研究 卵= = 2 上式表明，二阶串并电容组合开关电容变换器效率在电压变比相同 的情况下，比基本开关电容变换器的效率提高了一倍。同理可以推导出n 阶串并电容组合开关电容d c d c 变换器的效率为7 1 = 哆幺= ”，在电压 变比相同的条件下比基本开关电容变换器的效率提高n 倍，且当电压变 比在本征电压变比( 仅由电路结构确定) 附近时可以得到较高的效率， 而在其他电压变比的情况下效率仍然不高，尤其在o 5 m 1 的范围内， 由于有m k 的限制，不能采用串并电容组合结构，因而采用单级的电容 结构无法提高变换器的效率，而且由于二极管正向压降的影响，还会使 效率更低。采用多级的串并电容组合结构可以进一步改善开关电容d c d c 变换器的效率，以图2 1 的统一模型为例，可以推导出效率的公式为： 叩2 m k = 形喜击 z 由该公式可知，对于各种电压变比的电压变换，只要选取适当的多 级串并电容组合结构，均可获得较高的效率。例如，对于+ 5 v + 12 v 的升 压变换，当n = 1 ，n2 = 1 ，na = 2 时即可获得接近9 0 的效率。 注意，上述分析忽略了二极管正向压降v 。的影响。即使采用肖特基 势垒二极管，也会产生0 3 v 左右的正向压降，从而不可避免地带来损耗。 v 。还使k 降低。为此，我们定义修正本征电压变比k ，来表明实际的最大 电压变比。 现以图2 1 ( b ) 的二阶串并电容组合为例进行分析。假设在状态i ， c 。得到充分充电至其最高电压，则： k 。：v , - ( n - 1 ) v 。 ( 2 2 1 ) 式中，k ，为状态i 末尾时c - 。上的电压。 k = v o l 。一一1 ) v d ( 2 2 2 ) 则 k v n 2 - l v d k = 旦一 ( 2 2 3 ) 矿， 由2 2 3 可知，k ，不仅取决于电路的拓扑结构，而且还与v 。和v 。有 关。k 是仅取决于电路结构的，因而k 可用于揭示一种电路结构的性质， 所以k 称为“本征电压变比”。 华南理工大学工学硕士学位论文 式2 - 2 3 还表明，实际上，m 刁；会等于k ，因而n 小于1 。 由于v 。有显著的影响，较高阶的串并电容组合是不邋合采用的。 对于多除串劳电容组合的情况，类似可以彳导到： 黔兰：薹m 芝2 兰。， k 强的不同组合可敬褥餮不淄静奉 歪彀匿交院，魏表2 1 所示： 表2 - 1 多级串并电容组合开关电容电路的本征电压变比 h 43243422lllll l 蜉： ooo33233322l1 h o000oo030o302 | k 0 2 50 3 30 s0 。80 。6 60 7 50 8 31 2l 。3l 。s1 82 。o2 3 表2 一l 中，0 阶表示无电容，l 阶表示仅用一个电容。 r l 随醅变能的曲线如图所示( 珥 5 时) 。可霓，升压和降压交换器 均可获得较离的效率。 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 豫坝帕1 一 - ， y o 51 0 1 52 o2 5 瓤 图2 - 5 多级串并电容组合的开关电容d c d c 黛换器的最大效率岛瓶的关系 2 5 开关电容d c - d c 变换器的设计方法n ” 2 5 1 开关电容d c - d c 变换器的调节模式 图2 1 所示的多级串并电容组合结构开关电容d c - 9 c 变换器( m s p s c d c - d c 交换爨) 露瑷表示秀开关耄容d c - d c 变换嚣豹统攘黧。强中c 。 为n ，阶串并电容组合( s p ) 结构( n 。为其中独立电容的个数) ，m 为s p 结构酶级数。 开关电器d c d e 变换器的效率r l 等于实际电压变比m 与其拓扑结构 决定的本征电压变比k 之比，而与所采篇的控制方法无关。即：7 = m ，显， 1 6 第二耄开关宅容d e d c 变换嚣懿瑾论臻究 拈少善毒。 因此将开关电辔前级工作在固定开关频率和导邋比的工作c 。状态， 而在冀后级联低压羞线形稳压器，从而构成开关电容线性( s c l ) d c d c 变换器是最佳方案。设s p 结构中二极管的正向电压降为v 。，构成的各个 电容的取僚相同且为c ，t 和f 分剐为开关周期和频率( 即t = 1 f = t 。t 。) ，d 为状态i 中导通的开关的导通比( 即d = ( t l - t 。) t ) ，称d t n ；r 。c 。，为该s p 结搦的特征系数，用k ；表示，其中r ，为在状态i 期闻v 。对c ，充电的总等 效阻抗，则输出电驱可表示为式2 1 4 ，即： k 1 ，n 。一( n ，- l l n ，) = _ 圭l 罨- 一 1 + y 一三_ 一一 智n , r c “【l e x p ( 一d t s n f e c o ) 当k ，= 喝n i t r i g 3 时，式2 1 4 可简化为： k l ，毪一( 群f - 1 n ，) ；丛1 _ 上 一 ( 2 2 5 ) l + y l 智氇r l c o f 即变换糕工作在f m 模式，改变导通比对予变换器的输如电压没有明 显影响。 当0 2 k i = a l n f7 r c k h = _ - 上l 争一 ( 2 2 7 ) 】十y 一立一一 智怫片l , m i n c 口 1 一e x p ( 一d 瓦h 。ir ，q ) 翔莱希蹩露。的交纯所弓l 超的输毒毫篷静波动蔻闰在r ( r l , n i n ) 之海，帮 商： 。一。，i i 。 r ( r l “。) ( 2 - 2 8 ) 由式2 2 6 、2 2 7 秘2 2 8 ，著令：七= 裂r x , i ) 1 - r ( r l , m i n ) 】，则可德出： 将对于k 的要求分散到求和符号内的各项，有： 七， 吩尺，m q 【l e x p ( 一d b r j ，r c u ) 4 和 惫f m ( 露l “n ) = n i r z , “c o 1 - e 奠x p l ( - d t s n ii r i c i ) 其中，k l 满足关系k ，= k ，幽式2 - 3 0 a 求解d ，得 d 即一n ( 卜志v m 1 8 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 a ) ( 2 - 3 0 b ) ( 2 3 1 ) 第二章开关电容d c d c 变换器的理论研究 恰当设计d 和t 的工作区间，使得对于各级s p 结构，都能满足式2 3 1 的要求，就可以保证在输入电压不变的情况下，变换器因尺。的变化所引 起的输出电压的波动范围在r ( r 。m m ) 之内。 2 5 3 开关电容d c - d c 变换器的两种工作方式 由图2 一l 可知，在状态i i 期间各s p 结构串联放电，而每个s p 结构 中的各个电容器则呈并联放电状态，且s p 结构在放电过程中，要经历m 个开关串联( 图2 1 中的s 。) 。设各电容器的e s r 均为r ，各开关的通态 电阻均为r 。，因此s p 结构串联放电经历的总电阻r m 为： = 善考川 r l ( 2 3 2 ) 图2 6 开关电容d c d c 变换器在状态i i 的等效电路 于是，在状态i i 的开关电容d c d c 变换器的等效电路如图2 - 6 所示。 其中，r 。是c 。的等效串联阻抗，通常c 。可以采用多个电容并联的方法构 成，因此r 。与r 。相比要小许多，我们暂时忽略它，于是开关电容d c d c 变换器在状态i i 的微分方程如下： v 2 = r l ( - - c d i sa m v , _ c 。( 2 - 3 3 a ) u 一猫。尝+ k ( 2 - 3 3 b ) 其中：k 中考虑了放电二极管的正向压降，即k = v c ，( 0 - ( 一一1 ) ； c 。为串并电容组合结构在状态i i 放电时的等效电容，可表示为： 上：争上( 2 3 4 ) c d 。 智n 。c o 解式2 3 3 ，可得： 1 9 牮鸯理工大学工学鞭士学位论文 u 0 ) = a l e 却+ a 2 e t 。 哪卜鲁矿“z p 淼舻 ( 2 - 3 5 a ) ( 2 3 5 b ) 式中： 可1f ，五= 一面i 1 丽 “。十c 由式2 3 5 可见，在状态i i 期间v 。和v 。的行为受到两个时间常数的 约寒，一个避骰蔻c 。露c 。串联蓐霉与r 。梭蔽兹r e 网络懿辩润拳数， 因而很短暂。另一个近似为c 。和c 。并联后与r 。构成的r c 网络的时间常 数，毽瑟鞍长。 当短暂的过程结束后，并注崽r 。 0 4 8 4 ，选取一级二阶m s p s c d c d c 变换器的拓扑结构是很合适的。 第二步：根据输出电流，初步确定变换器的工作频率范围和c 。将 式( 2 2 1 ) 去分母，并整理后可得到设计公式： p t ( + ) 0 5 7 8 ，选取c ，为2 2 u f ，则f 戍大于2 6 2 7 k h z ，我们选用2 2 u f 的片状键电容，等效串联电隰为0 1q ，并暂取f = 3 1 2 5 k h z 。 第三步：由式计算在输入电羼固定的情况下，最小负载电阻对应的 。值，( k 。= k 。m ) ，并选取p 2 k 。作为设计德k 。胁，p 。可取1 2 2 0 。 在第三步到繁五步设计中，：i 慝织慕建最终负载电阻进雩亍设计，两实际的 等效输入阻抗