几种开关电容网络及其对DC_DC变换器的改善

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理论探讨　

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几种开关电容网络及其对DC -DC 变换器的改善

国家自然科学基金资助项目。

收到稿件。

刘　健　陈治明　严百平(西安理工大学　710048)

摘　要　提出三种开关电容网络,包括串并电容组合结构、极性反转开关电容网络和推挽开

关电容网络,并讨论了它们的性质。将这三种开关电容网络和传统DC -DC 变换器相结合,提出了一系列新的变换器拓扑结构。理论分析和实验结果表明,上述措施有助于提高具有悬殊电压变比的DC -DC 变换器的性能。 关键词　开关电容网络　DC -DC 变换器

1　引言

传统DC -DC 变换器中(如buck 、boost 和cuk 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[1]。本文研究了将几种特殊的开关电容(SC )网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,利用SC 网络对电压进行预变换,借以改善传统的变换器性能的方法,提出一系列新的拓扑结构,如SC buck 变换器,SC boost 变换器以及SC cuk 变换器等。

2　几种开关电容网络

SC 网络是仅含有电容器和功率开关的电路单元,功率开关一般分作交替导通的两组。能够直接用于开关DC -DC 变换器来改善其性能的SC 网络有以下三种,如图1所示。

2.1　串并电容组合结构(Series -parallel capacitor group ,简写为SP ) 图1a 为典型的串并电容组合结构(SP ),一般情况下构成SP 的各个电容器取值均相等。我们定义一个SP 中所含独立电容的个数为该SP 的阶(order ),用n 表示。这样图1a 所示为二阶SP 。

SP 具有这样的特点:当外部给它充电时(即开关S 1导通,S 2断开时),组成SP 的各个电容C 1i 相互串联;而当SP 放电时(即S 2导通,S 1断开

时),组成SP 的各个电容C 1i 相互并联。因此,假如对SP 的充电状态的持续时间和放电状态的持续

时间分别大于其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SP 可以看作一个n ∶1的降压器,即

图1　三种开关电容网络

(a )二阶SP (b )R SC 网络(c )二阶Pus h -Pull SC 网络

第5期

电工技术杂志1999年9月

V2=V1/n(1)因此采用SP代替传统DC-DC变换器中的单个电容器,能起到预降压变换的作用。

2.2　反转极性SC网络(Reversed SC Network,简

写为RSC)

极性反转开关电容网络(RSC)可以获得负的电压变换关系,其结构如图1b所示。当S1导通, S2断开时,V1通过V1对电容C1充电,极性如图所示;而当S2导通,S1断开时,电容C1通过V2放电,从而达到极性反转的目的。因此,假如对电容C1的充电状态的持续时间和放电状态的持续时间分别大于其充电状态时间常数和放电状态时间常数的话,则在稳态下有

V2=-V1(2)如果用上节讨论的SP代替单独的电容C1,则可构成极性反转的串并电容组合结构开关电容网络(简写为RSP-SC),在稳态下有

V2=-V1/n(3)因此采用RSC代替DC-DC变换器中的单个电容器,能起到电压反转变换的作用;采用RSP-SC 代替DC-DC变换器中的单个电容器,既能起到电压反转变换的作用,还能实现降压预变换。

2.3　推挽SC网络(Push-Pull SC Network,简写

为Push-Pull SC)

推挽开关电容网络(Push-Pull SC)的组成如图1c所示。图中C1、C2……C i既可以是单独的电容,也可以采用SP构成,C M i称作中间电容,采用固定电容器构成。在S1导通,S2截止时(称为状态Ⅰ),V1经S1和V1对C1充电,中间电容C M i也经二极管对C i+1充电;在S2导通,S1截止时(称为状态Ⅱ),V1与C i串联后经S2和二极管对中间电容C M i充电,从而实现升压作用。

我们称Push-Pull SC中,在S1导通,S2截止时,相互串联产生升压效果的SP的个数,为该Push-Pull SC的级数,则图1c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 i1为构成SP C i的各个电容的取值,根据文献[2]在稳态下有

V2 V1=Q S/Q L=

1+∑

m

i=1

　∏

i

j=1

n j

∏m

i=1

n i

(4)

可见采用Push-Pull SC代替DC-DC变换器中的单个

电容器,一般能起到升压预变换的作用。

3　基于开关电容网络的传统DC-DC变换器

图2示出了几种典型的基于SC网络的DC-DC

变换器。

图2　基于开关电容网络的DC-DC变换器

(a)SP-SC buck变换器　(b)SP-SC cuk变换器

(c)R SC boost变换器　(d)推挽SC buck变换器

参考文献[3]并结合上节的讨论,可以得出

基于SC网络的DC-DC变换的稳态特性如表所示。

4　实验研究

图3a和b分别为一个二阶SP-SC buck DC-DC

变换器和一个二阶SP-SC Cuk DC-DC变换器的实验

结果,它们的电路组成分别如图2a、b所示。

在SP-SC buck变换器中,S1采用P型MOSFET

IRF540,S2采用N型MOSFET IRF9530,这样方便

了驱动电路设计,二极管采用SR150,L为32μH,

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