逐压控制的开关电容DC_DC变换器

1、逐压控制的开关电容DC-DC变换器V o ltage Fo llow ing Con tro led Sw itch ing Cap acito r DC2DC Converters西安理工大学刘健陈治明钟彦儒(西安710048摘要:论述了逐压控制的开关电容DC2DC变换器的组成和工作原理。采用串2并电容对及与适当电容串联组合的方法,提高了变换器的效率。对采用开关隔离的DC2DC变换器亦进行了探讨。仿真与实验结果证明了该方法的优良性能。Abstract:T he operati on p rinci p le and configurati on of the V o ltage fo llo

2、w ing contro lled(V FC s w itch ing capacito r DC2DC converter is discussed.By using a pair of series parallel capacito rs in series w ith a p roper capacito r,efficiency of the converter is greatly increased.Iso lated s w itched2capacito r con2 verter is also investigated.Si m ulati on and experi m

3、 ent results show good perfo r m ance of the m ethod.叙词:变换器效率 逐压控制Keywords:convertors;eff ic iency volt age followi ng con trol1引言传统的DC2DC变换器都含有电感元件,不能令人满意1。用感性元件作负载会使开关器件的关断电流不能立即为零,产生反向尖峰电动势以及过电流失磁现象等,都会为设计带来麻烦,DC2DC变换器不易集成,难以实现小型化。不含感性元件的开关电容变换器26仅采用功率开关和电容器,因而容易集成,在便携式设备、微型计算机、汽车等领域很有发展前途。目前,对开关

4、电容变换器的研究还存在许多不足。早期的开关电容变换器的电压转换比由结构确定,无法调整2;文献3、4中虽然引入了调节,但效果不佳;文献5中采用了PWM调节,从而得到了可调整的转换比率但其效率较低,其中采用串2并电容对组合提高了转换效率,但只能实现1 N的降压转换(N为串2并对阶数,因采用PWM调节动态响应速度慢,这种开关电容变换器只适合于DC2DC变换。本文提出的逐压控制方案取代了传统PWM调节,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DC2A C变换和构成失真小的DC2A C变换器。文中采用串2并电容对与适当电容串联的方法,使任意电压变比的DC2DC变换器实现了低功耗。另外,还

5、试验了不采用变压器的M O SFET有源隔离技术。2基本原理逐压控制的开关电容变换器及控制电路原理图如图1所示。其中,R on为M O SFET S1、S2的导通电阻,D为施密特触发器,U为振荡器,N 为比较器,V W为基准源 。图1(a逐压控制开关电容变换器原理图(b控制电路原理图变换器启动后,当输出超过U0+U e或振荡脉冲为负时,S2关断、S1导通;当输出低于U0-U e且振荡脉冲为正时,S2导通、S1截止。U0是输出电压设计值,2U e为允许纹波电压峰2峰值。S1和S2的控制逻辑设计成互为相反的状态。通过振荡器提供的脉冲信号,可保证在变换器启动初始即使U c2很低(或为零C1也有被91

6、电力电子技术1997年第1期1997.2充电的机会,而当U c2建立起足够的电压后,通过逻辑电路封锁振荡器脉冲。这样,在启动初期S 1、S 2受U 强制控制,以确保启动成功。稳定后U 不起作用,S 1、S 2完全由U c2电压反馈控制。由上可见,这种新的控制方法可使输出电压限制在所设计的动态范围内(见图5a 。若将基准源V w 换成正弦交流电压,输出就成为正弦交流电压,即实现了DC 2A C 变换(见图5b 。并联三套上述的DC 2A C 单元,并使V w 为互差120°的工频正弦波信号,则可得到较好的三相交流功率输出。如果V w 采用任意波形信号,则可得到这种波形的功率输出,因而这

7、种控制法称为逐压控制法。3分析与讨论3.1关于C 1对于降压型DC 2DC 开关电容变换器,C 1采用串2并电容对形式可降低损耗,如图2所示。串2并电容对的特点是串联充电、并联放电,充电时几个电容串联形成较高的初态电压,使其与电源电压之差较小,因而充电电流较小,损耗亦降低。放电时并联放电,放电电压为串联充电电压的1 N ,即实现了降压作用。放电时间常数较大,可保证在要求动态范围内提供的电能可维持较长一段时间。采用图2a 、b 的串2并对电容构成C 1只能实现1 N 的变比,而采用图2c 的形式可实现任意变比包括1 N (N >2。与高阶串2并电容组相比,图2c 二极管较少,从而降低了损耗

8、。图2不同电压变比M 的串2并对电容组构成形式(a M =0.5C 11=C 12(b M =0.33C 11=C 12=C 13(c M =0.75C 11=C 12C 13=0.5C 113.2工作范围要使逐压控制法正常运行,要求变换器满足以下两个条件:S 1导通期间,C 1必须充电至U s ;S 2导通期间,C 2应能充电超过U 0+U e ,以保证C 1有新的充电机会。第一个条件较容易满足。下面研究第二个条件。通常R on R L ,因而可近似认为C 1对C 2的充电过程中R L 开路。在该充电过程起始瞬间U c1(t 0=U s m(1U c2(t 0=U 0-U e(2W c1=(

9、C 1U s 2 m 22(3W c2=C 2(U 0-U e 22(4式中m 降压系数当U c2达到最大时刻t m 时U c1(t m U c2(t m (5W c1=C 1U c22(t m 2(6W c2=C 2U c22(t m 2(7根据能量守恒定律W c1+W c2=W c1+W c2(8将式(3、(4、(6、(7代入式(8解得U c2(t m =C 1U s 2m 2+C 2(U 0-U e 2C 1+C 2(9要满足条件,必须U c2(t m >U 0+U e ,即C 1U s 2m 2+C 2(U 0-U e 2C 1+C 2U 0+U e(10选择能使不等式(10成立

10、的C 1、C 2构成开关电容变换器,就可实现逐压控制。值得注意的是,C 1对于串2并组合应为放电时电容组的等效电容。因式(10忽略了R L ,所以在实际设计时应留有余量。关于开关周期可近似计算如下S 1导通、S 2截止的周期T 1:此期间U c2从U 0+U e 降至U 0-U e ,时间常数=R L C 2,T 112U e(U 0+U e ,其中为指数系数,经验值为0.70.9。S 1截止、S 2导通的周期T 2:2=R on C 2,T 22,T =T 1+T 2。3.3有源隔离开关电容变换器图3所示为有源隔离开关电容变换器。采用M O SFET 作为隔离元件,前、后级的隔离程度取决于M

11、 O SFET 及其串联肖特基二极管的耐压。肖特基二极管VD s 的作用是阻止通过M O SFET 内部反向二极管的电流以达到隔离目的,同时也增大了隔离的耐压值。隔离驱动可采用小型耦合电感器表面贴装形式,因驱动电流很小,因而并不消耗多少功率。该电路的工作02电力电子技术1997年第1期1997.2 图3有源隔离开关电容变换器原理如同图1a ,只是其输出电压采用一只工作在线性区的光电耦合器反馈至初级。注意,由于VD s 与M O SFET 是非理想的,为了保证前、后级完全隔离,S 1、S 3和S 2、S 4的交替导通,应使其存在一个时间间隔。作者设计了两个施密特触发器来实现上述时序关系,如图4所

12、示。其中V up1、V up2、V dow n1、V dow n2分别为两个施密特触发器的上阈值和下阈值电平 。图4两施密特触发器的时序关系3.4动态响应由前述分析可看出,逐压控制具有较好的动态特性。因为负载突变时造成U c2发生变化,但只要达到U 0-U e 或U 0+U e ,则控制电路会立即工作而无任何滞后。当输入电压发生变化时亦是如此,因而DC 2DC 开关电容变换器的动态响应好。对于DC 2A C 变换情况稍有不同。因为C 2取值较大,造成U c2下降速度低于参考电压的下降速度,从而使输出电压不能很好地跟踪参考电压的变化,造成波形失真。这种情况发生在较高频率的A C 信号,且在低电压

13、区尤其明显,但可采用叠加适当直流偏置的办法加以缓解。尽管如此,逐压控制仍能使大多数DC 2A C 开关电容变换器满意工作。4结论用SP I CE 仿真了10 5V DC 2DC 开关电容变换器和10 1.5V 4kH z DC 2A C 变换器,负载分别为58和28,结果如图5a 和b ,纹波U pp =40mV 。我们实验了12 5V 的有源隔离开关电容DC 2DC 变换器,纹波U pp =50mV 。 仿真与实验结果表明逐压控制方法是可行的。图5仿真波形(a 10 5V DC 2DC 开关电容变换器负载为58(b 10 1.5V 4kH z DC 2A C 变换器负载为28理论和实验结果表

14、明,逐压控制法具有较高的动态响应性能,此法不能作到零纹波,但可在其后再加一级L C 滤波环节来解决。串2并电容组与适当电容串联的方法可降低降压型开关电容变换器的损耗,实现任意电压变比。有源隔离方法不采用变压器,因而体积小、易集成,但12逐压控制的开关电容DC 2DC 变换器它抗干扰性较差,只适合于要求不高的场合。参考文献1Q uinnell R A .独立创新使小型磁性元件走向片式化.EDN ,Ch ina ,1995,42452Singer Z et al .Pow er regulati on by m eans of as w itched capacito r .P roc .IEE

15、,1972,119(2:1491533M anusarz R et al .A Sw itched capacito r induc 2to rless DC 2to 2A C vo ltage step 2up pow er converters .P roc .IEEE Pow er E lectron .Spec .Conf .,1989,991034M iddlebrook R D .T ransfo r m erless DC 2to 2DCconverters w ith large conversi on rati o s.IEEE T rans .Pow er E lectro

16、n .,1988,3(4:4844885Cheong S V et al .D evelopm ent of pow er elec 2tronics converters based on s w itched capacito r cir 2cuits .P roc .IEEE Int .Symp .C ircuits and system ,1992,190719106Cheong S V et al .Inducto rless DC 2to 2DC con 2verters w ith h igh pow er density .IEEE T rans.Ind .E lectron .,1994,41(2:208215收稿日期:1995207211收修改稿日期:1995210205作者简介刘健:男,1967年7月生,工程师,硕士学位,在读博士生。专业为电力电子技术,研究方向为DC 2DC 变换器及电力系统自动化。陈治明:男,1945年10月生,教授,博士生导师。研究方向为功率集成电路,非晶半导体及电力电子器件。钟彦儒:男,1950年1月生,教授,博士生导师。研究方向为电力电子电路及应用。(上接第15页图5实验波形(输出电流120A 时(a 变压器原边电压波形(U :200V 格t :10s 格