开关电容变换器的研究概述

拟解决的关键问题之一
PWM控制技术广泛的应用于电力电子变换器中，自然， 在开关电容变换器中最先引入的就是PWM控制方法，并 且取得了一定的成功。虽然开关电容变换器的输入直流脉 动和输出电压纹波的问题在PWM控制中得到一定的解决， 可是由于PWM控制中电容的充电电流是指数型的，很快 就接近零，因此能够调节的有效时间都比较短，而且当开 关频率比较高时，占空比调节很难精确实现，这样实际上 限制了它的调节范围，并且开关承受的电流应力较大；另 外，PWM控制方法是以输出电压或者开关管的电流作为 反馈信号来调节占空比，然而占空比信号的变化不能即时 跟随输入电压或负载的变化，因而PWM控制方法的动态 调节响应较慢。总的来说，PWM控制得到的特性还不够 理想。
本课题准备研究一个开关电容DC/DC升压 变换器，其技术指标如下： 输入电压范围:17V-19V 额定输出电压:Vo＝48V 额定输出电流:Io＝1A 额定输出功率:48W 输出电压纹波:小于2%

主电路图设计
主电路图的优点
可以提高开关电容变换器的功率。对于开 关电容变换器， 功率传输能力主要体现在 传输电量的能力，很显然，采用这种对称 结构可以提高开关电容变换器的电量传输 能力 可以保证输入电流连续，这样就能够有效 抑制输入电流畸变和降低电磁干扰。 可以改善占空比调节的性能。
开关电容变换器的研究现状
自从开关电容变换器的概念被提出以来，开关电 容DC-DC变换技术己经取得了很大的进展，各种 拓扑结构层出不穷。 最近几年开关电容DC/DC变换器的研究又出现了 许多新的亮点，出现了调节特性得到改进的变换 器，在充电阶段出现了电容和开关新的组合形式， 以及得到双向能量流动变换器(其能量流动的一个 方向是升压，一个方向是降压)和输入电流连续的 开关电容变换器，将小电感引入开关电容DC/DC 变换器，从而使得软开关技术得以应用到开关电 容变换器更是一种全新的尝试。
开关电容变换器的研究
指导老师： 学生：
课题的提出
随着半导体和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强 的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重 量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻 的开关稳压电源，使之能满足电子设备的日益微小型化的 需要。 影响开关电源体积和重量的关键是因为传统的开关电源中 含有笨重的电感和变压器等磁性元件，于是近年来人们提 出了一种新的思路:就是去掉笨重的电感和变压器等磁性 元件，仅由电容器和开关管来实现电压变换，基于这种理 念的开关变换器称为“开关电容变换器”。由于不含电感 和变压器，因此可以大大缩小开关电源的体积和重量，并 易于在芯片中实现集成。
开关电容变换器的展望
总体而言，DC/DC开关电容变换器拓扑还 不成熟，大部分变换器工作特性对拓扑有 一定的依赖性，因而在原理上发展DC/DC 开关电容变换器将是今后值得探索的一个 方向。此外，DC/DC开关电容变换器的控 制技术也有待发展，以取得更加理想的电 路特性。
本课题研究的主要内容和技术方案
和PWM方式比较，准开关控制的输入电流为充电放 电电流之和，脉动不大，因此没有大的EMI问题；虽 然也是硬开关，开关应力不算大。总的看来，它和 PWM控制仅在充电阶段的电流波形有所不同，由电 容能量损失的公式：
Eloss 1 C[(Vs VCi ) 2 (Vs VCf ) 2电容网络实现DC-DC变换有很多显而易 见的优点: 能够进一步地缩小电源的体积，由于没有笨重的 磁性元件，很易于在芯片中实现集成。 由于不含有磁性元件，因而能够大大降低电磁干 扰问题。 重量轻，尺寸小，因而功率密度高。 因此基于这种变换技术的开关电源非常适用于一 些小型化设备，随着用电设备的小型化，开关电 容DC-DC变换器将具有广阔的应用前景。
可以看出，由于电容能量损失只取决于初始和最终的 电压，和开关的控制策略无关，因此其转换效率和传 统PWM方式是一样的。总的看来，准开关控制对开 关电容变换器中的三个问题都做了比较好的解决，明 显优于PWM控制。
通过前面的分析可知，采用准开关控制技 术能够很好的控制输入端电流波形的脉动， 可是该方法对于变换器输出直流电压波形 的脉动问题无能为力。若采用增大输出电 容来减小输出电压的纹波，势必违背了开 关电容变换器的初衷。这里我们可以采用 电压跟随控制技术来达到这个目的。
基于上述原因，对于本次研究打算采用一 种新的控制策略，即准开关控制技术结合 电压跟随控制技术。
准开关控制技术
可以看出，自然充电波形为零电流关断， 但它是不可调的；PWM控制的电流波形是 脉动的会造成一定的EMI问题，而且开关 应力比较大；准开关控制的电流波形最好， 没有脉动，开关应力相应也小一些。
电压跟随控制技术
电压跟随控制的思想很简单，以右 图的电路为例，若ul为额定的稳压 输出,ue为设定的输出电压最大偏移 量，其控制原理是：当输出电压uo 低于允许下限(ul—ue)时，进入状 态一：us串联c1对c0和R充电，uo逐 渐上升。当uo高于允许上限(ul+ue) 时，进入状态二：us对c1充电，c0 维持R上的输出电压，从而uo逐渐 下降，当输出电压uo低于允许下限 (uL—ue)时，又进入状态一，这样 输出电压就被控制在设计范围之内。 即ul—ue≤uo≤ul+ue。该控制技术的 优点是：输出电压变比可以很大， 输出纹波理论上可以精确控制，对 电路的件参数不敏感。
结论：将准开关控制技术和电压跟随控制 技术结合使用，可以同时对开关电容变换 器的输入电流波形的脉动和输出电压波形 的脉动进行很好的控制。
拟解决的关键问题之二
前面所讨论的控制方法均属于能耗控制，电路的 效率并不高。由于电路的损耗与开关管的导通电 阻、二极管的正向导通压降、各电容的等效串联 阻抗等有关，因此，为了减小损耗，提高电路的 效率，我们可以将软开关技术引入开关电容变换 器，来减小开关管的损耗。 开关电容变换器软开关技术的基本思想是：在主 电路中引入小电感（为了便于集成），使之与电 容串联谐振。由于电感电流不能突变，因此，可 以实现开关管的零电流开关。