开关电容变换器组成原理及发展趋势

开关电容变换器组成原理及发展趋势

丘东元张波

(华南理工大学电力学院, 广东省广州市 510641)

Composing Principle and Development of Switched Capacitor Converters

Qiu Dongyuan, Zhang Bo

(College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510641)

ABSTRACT: Switched capacitor (SC) converters do not require any inductor or transformer, only use capacitors as energy storage components. With the advantages of small size, lightweight, high efficiency and high power density, SC converters are more popular in power electronic system. This paper divided the existed SC converters into several kinds. Based on the concept of basic SC cell, the composing principles of each kind of SC converters have been proposed. Next, the main control methods and new applications of SC converters are introduced.

KEYWORDS: Switched capacitor (SC) converter, step-up, step-down, inverting

摘要：开关电容变换器不含磁性元件，仅以电容作为储能元件，有体积小，重量轻，效率高和功率密度大等优点，在电力电子电路中的应用越来越广泛。本文对已有的开关电容变换器进行了分析和归纳，从开关电容基本单元的概念出发，剖析了各种开关电容变换器的组成原理，并阐述了开关电容变换器的几种主要控制方法，最后介绍了开关电容变换器的最新应用。本文对开关电容变换器的推广应用具有指导性的意义。

关键词：开关电容变换器，升压，降压，反相

1. 引言

小型化是开关电源的发展趋势之一，而开关变换器小型化的关键是减少磁性元件（电感或变压器）的体积和重量。虽然软开关技术已将开关电源的开关工作频率提高到几百kHz甚至MHz的级别，大大减小了开关电源的体积，但是，进一步提高开关频率不仅受到了器件特性的限制，而且磁性元件的体积无法做到更小。因而减少磁性元件成为开关电源小型化的另一有效的途径。

开关电容变换器是一种典型的无磁性元件变换器，它由电容和一定数量的开关组成，电容为主要的储能元件，通过开关控制电容的充放电时间，实现电能变换，因此开关电容变换器符合开关电源小型化的要求。开关电容变换器最早出现在上个世纪70年代初，但受当时器件生产水平所限，没有得到重视。在MOSFET和多层陶瓷电容成功推出市场后，开关电容

变换器的实现成为可能，近十几年来得到了迅速的发展[1,2]。

开关电容变换器具有体积小、重量轻、功率密度高等优点，并且可以集成于一块半导体芯片上。基于上述优点，开关电容变换器在小功率场合得到了一定的应用。针对开关电容变换器存在的一些问题，研究人员提出了很多新的拓扑及控制方法，为开关电容变换器的发展带来广阔的空间[3-19]。为此，本文深入地分析了各类开关电容变换器的组成原理，并介绍了开关电容变换器的控制技术和一些新应用，为推广和发展开关电容变换器提供参考。

2. 开关电容变换器的组成原理

经过近二十年的发展，开关电容变换器已日趋成熟，所提出的结构型式多样。本文尝试从开关电容基本单元出发，剖析一些主流开关电容变换器的构成方法。

2.1 基本开关电容变换器

开关电容基本单元通常由两个开关器件（S1和S2）、两个二极管（D1和D2）和一个电容C组成，如图1(a)所示。按照不同的方式将开关电容基本单元的四个端子与输入电源、输出负载连接，可以得到不同类型的基本开关电容变换器[3]。

图1(b)为降压式开关电容变换器，开关电容基本单元的a端与输入电源正极相连，b、d端均与输出正极相连，c端接地。开关器件S1和S2轮流导通，当S1闭合时，输入电压V i向开关电容C充电；当S2闭合时，C向负载放电。若S1和S2的占空比相等，均为0.5，忽略电

路中的损耗，/2

o i

V V

=。

改变开关电容基本单元的端子接法，把a、c端与输入正极相连，b端接地，d端接输出正极，可以得到如图1(c)所示的升压式开关电容变换器。当S2闭合时，输入电压V i向C充电；当S1闭合时，输入电源和C同时向负载供电。理想情况下，。类似地，若把c 端接负载，b、d端接地，那么可以得到反相式开关电

2

o

V V

=

i

1

容变换器，如图1(d)所示，。

o i V V =

−

（a ）开关电容基本单元 （b ）降压式

（c ）升压式 （d ）反相式

图1 基本开关电容变换器

2.2 互补型开关电容变换器

为了减小输出电压的纹波，文献[4,5]提出了互补型开关电容变换器结构，即把两个基本开关电容变换器并联，两者交替运行，如图2所示。

以图2(a)中降压式互补型开关电容变换器为例，当输入电源向I 组的开关电容C 1充电时，II 组的开关电容C 2向负载放电；当C 1向负载放电时，C 2被充电。与图1(b)的降压式基本开关电容变换器相比，输出电容C o 总是与其中一个开关电容并联，在电路参数相同的情况下，输入输出电压关系不变，而且降低了输出电压的纹波。

类似地，升压式互补型开关电容变换器如图2(b)所示[5]。

（a ）降压式

（b ）升压式

图2 互补型开关电容变换器

2.3 高阶开关电容变换器

若要得到更大的输入输出电压变比，必须改变电路结构，下面介绍几种典型的高阶开关电容变换器。

A ．降压

将几个电容和二极管用串并方式组合起来，得到如图3所示的开关电容串并单元，它可以代替开关电容基本单元中的电容，实现新的变换功能。一般情况下构成开关电容串并单元的各个电容的电容值相等，通常将单元中所含独立电容的个数定义为该单元的阶，用n 表示。

开关电容串并单元的工作原理如下：当外部给开关电容串并单元充电时，组成串并单元的各个电容相互串联；当开关电容串并单元放电时，组成串并单元的各个电容相互并联，即“串联充电，并联放电”。如果对开关电容串并单元的充电时间和放电时间分别大于其充电时间常数和放电时间常数，那么利用开关电容串并单元可以实现降压变换。

例如，将图1(b)中的电容用图3(b)的二阶开关电容串并单元代替，可以得到图4(a)，其中/3o i V V =。依此类推，如果采用n 阶开关电容串并单元，那么可以得到/(1)o i V V n =+。

(a) n=1 (b) n=2 (c) n=3

图3 开关电容串并单元

(a) n=2

(b) n=3

图4 高阶降压式开关电容变换器