諧振串聯型開關電容DC／DC變換器

摘要：根據向串聯電容逐個充電能升壓的原理，提出一種串聯諧振型開關電容直流變換器，以諧振充電、恒流放電工作方式，降低了浪峰電流和變換損耗。根據RLC電路響應規(guī)律，采用近似值方法，解出了輸出電壓、變換效率和充電平均電流的數學表達式，可知這種諧振型變換器在一定范圍內可通過調頻方式調壓，是一種體積小、效率高的直流變換器，并用實驗驗證了電路及其分析的正確性。
關鍵詞：變換器；開關電容；諧振；調頻調壓

1 引言
開關電容直流變換器是以電容為儲能元件的功率變換器，其體積小、重量輕、效率高且易于集成。但硬開關控制方式的開關電容變換器存在開關電流大、EMI問題嚴重等缺點。諧振型開關電容直流變換器對于開關損耗、EMI和電流應力等性能有所改善，但同時存在一個問題：對于升壓式電路，電容充電時，該電容不能同時向負載放電，只能由輸出電容向負載供電，變換器輸出電流占空比就會較小，勢必導致工作電流峰值變大，使阻性損耗變大。采用雙相的電路結構可使電流占空比增大一倍，但功率器件數量也相應增加一倍。
根據向串聯電容逐個充電能升壓的原理，參考文獻，在此提出一種諧振串聯型開關電容DC／DC變換器，電路在對諧振電容充電的同時，能以恒流方式向負載放電，可增大工作電流占空比，從而減小諧振峰值電流，降低阻性損耗，提高變換效率。

2 主電路
圖1示出諧振型2倍壓主電路拓撲結構，Cs，L1為低壓端EMI濾波元件，C3，L3為高壓端EMI濾波元件。諧振電容C1，C2與C3間用L3相連。

電路工作波形如圖2所示，工作分4個模態(tài)：
模態(tài)I VT1，VD1導通，VT2，VD2關斷，電源電流通過L1，L2，VT1，VD1向C1諧振充電，同時電源和C2串聯向負載供電，即圖2波形T2時段；
模態(tài)II VT1仍然導通，VT2，VD2繼續(xù)關斷，由于VD1的反向阻斷，VT1無電流，電路為C1，C2串聯向負載放電，即圖2波形t3～t4時段；
模態(tài)III VT1，VD1關斷，VT2，VD2導通，電源向C2充電，同時與C1串聯向負載供電，類同模態(tài)I；
模態(tài)IV 類同模態(tài)II。
模態(tài)II至模態(tài)IV，歷經總時間為T3。
簡言之，電源輪流向電容充電，電容串聯升壓輸出。若T2=T3，則模態(tài)II和IV時間為零，則輸入充電電流時間占空比為100％。

由于諧振型電路工作要基于電路的參數，當電路LC諧振參數確定后，T2通常不能改變。則調壓方式只能是改變模態(tài)II和IV的時間，也即調頻方式。當T2=T3時，為開關頻率上限fh=1／(2T2)，調節(jié)輸出電壓時，只能在fh上限頻率處向下調節(jié)。