下载文档原格式
开关电容PWM DC-DC电压调节模块曹文静;金科;Ming Xu;F C Lee【摘要】介绍了一种开关电容PWM DC-DC电压调节模块,该变换器是开关电容变换器和PWM变换器的结合,具有如下优点：①开关管的零电压开关（Zero-Voltage-Switching,ZVS）;②运用自耦变压器实现同步整流管（Synchronous Rectifier,SR）的自驱动,减小了驱动损耗和体二极管导通损耗;③变压器漏感对效率的影响小,可以使用常规的分立式变压器,从而降低成本;④变换器是单相的,结构简单,应用灵活。
在理论分析的基础上,搭建了一台四相700kHz 1.2V/130AVRM原理样机验证了理论分析的正确性。
%This paper proposes a novel switching capacitor PWM DC-DC voltage regulator module.The converter is a combination of a switching capacitor converter and a PWM converter,and it has the following advantages: ① Zero voltage switching of all the MOSFETs.② Using an auto transformer self-driven method to save the driver loss and the synchronous rectifier(SR) body diode conduction loss.③Its efficiency is not sensitive to leakage inductor,so that the discrete transformer can be used to save the cost.④Single phase option makes it more flexible.A four-phase 700kHz 1.2V/130A output VRM prototype was built to verify the analysis.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2012(027)010【总页数】8页(P182-189)【关键词】开关电容变换器;PWM变换器;自驱动;零电压开关【作者】曹文静;金科;Ming Xu;F C Lee【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心,布莱克斯堡24061;美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心,布莱克斯堡24061【正文语种】中文【中图分类】TM4631 引言随着信息产业的快速发展，高效率高动态特性负载点（Point ofLoad，POL）变换器得到了越来越多的应用。
开关电容DC-DC转换器：从变压器模型到电路的演进
黄沫;陈中俊;夏添;杨在天
【期刊名称】《电子与信息学报》
【年(卷),期】2024(46)5
【摘要】开关电容(Switched Capacitor,SC)DC-DC转换器在很多领域有着广泛的应用。
为应对大电压转换比(Voltage Conversion Ratio,VCR)的情况,前人提出了诸多拓扑结构。
常用的拓扑结构包括Dickson,Cockcroft-Walton,Series-Parallel,Ladder,Fibonacci,Divider等等。
这些拓扑结构有着各自的性能特点,适用于不同的场景。
然而,对于这些不同的拓扑结构是如何产生的,本质的区别是什么,各自的优缺点是什么,并无直观的解释和分析。
因此,该文从开关电容DC-DC转换器的等效变压器模型入手,分析了各个拓扑之间的本质区别,并展示了从等效模型到实际电路的演进过程,解释了规则和原因。
【总页数】8页(P1888-1895)
【作者】黄沫;陈中俊;夏添;杨在天
【作者单位】澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN47
【相关文献】
1.用于开关电容DC-DC转换器的自动增益跳变技术
2.基于状态机控制的降压型开关电容DC-DC转换器
3.一种采用电容共用技术的DC-DC开关电源软启动电路
4.
一种带动态开关控制电路的开关式DC-DC转换器5.基于开关电容DC-DC转换器的两路主从输出策略
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种可以建立软开关PWM变换器的系统方法杨柳;陈志颖【期刊名称】《电气开关》【年(卷),期】2008(046)004【摘要】以结合开关理论为基础,提出了一种可以建立软开关PWM变换器的系统方法.应用这种方法,许多种无源和有源软开关PWM变换器家族中所派生出的变换器,如:Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器都能够通过Buck变换器和Boost变换器这两种最基本的变换器得到,不仅对变换器家族可以进行更加深入的了解,还可以揭示出软开关变换器之间的内在联系.通过对结合开关理论的具体介绍,在对有源PwM软开关变换器中的零电压转换(ZVT)PWM DC/DC 变换器的派生变换器电路拓扑的建立原理和得出过程重点阐述的同时,将有源软开关PWM变换器进一步分成了Buck和Boost家族两大类,并证明了所提出的这种建立软开关PWM变换器的方法的正确性和可行性.【总页数】4页(P19-22)【作者】杨柳;陈志颖【作者单位】兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,兰州,730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州,730070【正文语种】中文【中图分类】TM56【相关文献】1.全软开关Boost ZCT-PWM变换器 [J], 陆冬良;张代润;黄念慈2.无源无损软开关在非隔离PWM变换器中的应用 [J], 程哲昕;朱学军;张逸成;姚勇涛3.一种适用于软开关全桥PWM变换器的非线性控制新策略 [J], 柳玉秀;许峰;徐殿国4.零压变换软开关的双PWM变换器的研究 [J], 胡正轩;冷光夺;袁冬柏;王建任5.一种新型有源次级钳位全桥零电压零电流软开关PWM变换器 [J], 成庶;陈特放;余明扬因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011394429.5(22)申请日 2020.12.02(71)申请人 矽力杰半导体技术（杭州）有限公司地址 310051 浙江省杭州市滨江区西兴街道联慧街6号(72)发明人 毛浪 (51)Int.Cl.H02M 3/07(2006.01)H02M 1/088(2006.01)(54)发明名称开关电容变换器及其驱动电路(57)摘要本申请公开了一种开关电容变换器及其驱动电路，利用将直流母线电压抬高第一电压后作为泵升电压为第一驱动器供电；从直流母线电压和所述开关电容变换器的输出电压之间获取电压为第二驱动器供电；从飞跨电容的两端获取电压为第三驱动器供电：利用线性稳压器将开关电容变换器的输出电压经过变换后获得的第一电压为第四驱动器供电。
采用本发明的技术方案，不仅相比于传统的驱动方案，优化了驱动电路的结构，减少了两个自举电容和切换开关，且使得第二功率开关和第三功率开关的驱动电源电压均为直流母线电压的一半，驱动损耗较小。
权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 112600408 A 2021.04.02C N 112600408A1.一种用于开关电容变换器的驱动电路，其中所述驱动电路包括：第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，被配置为根据对应的逻辑控制信号分别驱动所述开关电容变换器中依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；以及电荷泵电路，被配置为将直流母线电压抬高第一电压后作为泵升电压为所述第一驱动器供电，其中，所述第一功率开关耦接至所述直流母线电压。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第二驱动器的高压供电端耦接至所述直流母线电压，其低压供电端耦接至所述开关电容变换器的输出电压，以获取电压为其供电。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关电容变换器的飞跨电容的一端连接在所述第一功率开关以及第二功率开关的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关以及第四功率开关的公共节点，所述第一功率开关以及第三功率开关同时导通，所述第二功率开关以及第四功率开关同时导通，且导通时间互不重叠。
反激式开关电容PWM直流变换器曹文静;顾玲;金科;阮新波【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2013(028)004【摘要】目前的负载点(POL)变换器大多是Buck、Boost等PWM直流变换器,它们的主回路中均含有电感,因此动态特性受到限制.本文在自驱动零电压开关(ZVS)非隔离全桥DC-DC变换器的基础上,推导出了一种反激式开关电容PWM直流变换器.该变换器是开关电容变换器和传统的调压直流变换器的结合,同时具备开关电容变换器动态特性快以及PWM变换器可调压的优点.此外,它还具有如下优点:①开关管实现了零电压开关；②采用外加变压器绕组的方法实现同步整流管的自驱动,减小了驱动损耗和体二极管导通损耗；③变压器漏感对效率的影响小,可以使用分立式变压器,节约成本且易于安装；④变换器是单相的,结构简单,应用灵活.本文详细给出了该变换器的推导过程、原理分析和自驱动方法.在理论分析的基础上,搭建了一台单相700kHz l.2V/35A POL原理样机,从而表明了理论分析的正确性.【总页数】8页(P87-94)【作者】曹文静;顾玲;金科;阮新波【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TM46【相关文献】1.新型倍流整流方式零电压开关PWM全桥三电平直流变换器 [J], 黄华2.改进型零电压开关PWM三电平直流变换器 [J], 刘学超;潘虹;张波3.单开关三相交直流变换器的谐波消除PWM技术 [J], 俞红祥;林敏;纪延超4.基于软开关技术的ZCS-PWM反激式开关电源的研究与设计 [J], 袁方方5.基于开关电容的三相单开关反激式高增益AC-DC整流变换器 [J], 王议锋;杨良;王成山;孟准因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一族开关电容调节器顾玲;金科;曹文静;阮新波【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2012(027)012【摘要】传统的PWM直流变换器由于电感的存在,限制了能量传递速度。
而开关电容变换器中不存在电感,能量通过电容直接传递,具有很好的动态特性。
但其输出电压受电路结构限制不可调节,且开关瞬间有很大的冲击电流。
本文采取将以上两种变换器进行复合的思路,分离出一族基本的开关电容单元和开关电感单元,将这两种单元进行两两组合,推导出了一族开关电容调节器。
变换器同时具备开关电容模态和开关电感模态,采用电容作为传递能量的元件,因此具有动态响应快的优点。
开关电感模态使其克服了传统开关电容变换器输出电压不可调的缺点,通过改变占空比即可调节输出电压。
在实验室完成了一台基于其中一个变换器拓扑的1.2V/130A输出的电压调节模块原理样机,从而验证了理论分析的正确性。
【总页数】8页(P154-161)【作者】顾玲;金科;曹文静;阮新波【作者单位】南京航空航天大学自动化学院江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;南京航空航天大学自动化学院江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;南京航空航天大学自动化学院江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;南京航空航天大学自动化学院江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TM46【相关文献】1.基于开关电容的电容传感器接口电路设计与测试 [J], 邢文奇;胡红利;罗政元2.开关电容电路中杂散电容的等效分析及建模 [J], 葛东旭3.一种片内集成飞电容的自适应开关电容 DC -DC [J], 魏榕山;代明4.介电层粗糙对电容式RF MEMS开关down态电容退化的影响 [J], 李君儒;高杨;何婉婧;蔡洵;黄振华5.一族开关电容DC-DC变换器及其控制方法 [J], 刘健;陈治明;钟彦儒因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
非隔离反激式开关电容PWM直流变换器曹文静金科阮新波(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)Non-Isolated Flyback Switching Capacitor PWM DC-DC ConverterCAO Wenjing, JIN Ke, RUAN Xinbo(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract: This paper proposes a novel non-isolated flyback switching capacitor PWM DC-DC converter. The converter is a combination of a switching capacitor converter and a traditional PWM DC-DC converter, and it has the following advantages: 1) Zero voltage switching of all the MOSFETs. 2) The transformer leakage inductor and the blocking capacitor resonate to reach the soft-switching of the switches. 3) Its efficiency is not sensitive to leakage inductor, so that the ordinary discrete transformer which is easy to install can be used to save the cost. 4) Single phase option makes it more flexible. A single-phase 700kHz 1.2V/35A output POL prototype was built to verify the analysis.摘要：本文介绍了一种非隔离反激式开关电容PWM直流变换器，该变换器是开关电容变换器和传统的调压直流变换器的结合，具有如下优点：1）开关管的零电压开关(Zero-voltage-switching, ZVS)；2）变压器漏感与隔直电容谐振，实现开关管的软开关；3）变压器漏感对效率的影响小，可以使用常规的分立式变压器，节约成本且易于安装；4）变换器是单相的，结构简单，应用灵活。
在理论分析的基础上，搭建了一台单相700kHz 1.2V/35A POL原理样机验证了理论分析的正确性。
关键词：开关电容变换器调压变换器漏感零电压开关1. 引言新一代的计算机和通讯设备，采用开放式结构，用模块化的方法处理信号、数据和功率。
这使得分布式电源系统(Distributed power systems, DPS) 的应用成为必然。
互联网的广泛普及需要更先进的、高品质和更可靠的能源网络作为基础设施的支持，自然需要采取分布式发电、配电以及电能调节的方式。
未来的电能处理系统在实际操作上应该全部都是通过功率变换装置将电力负载连接到电源。
先进的功率处理系统应当具备可控、可重构的特点，可以在通讯、计算机、互联网基础设施、汽车、航空等领域应用。
并且国家自然科学基金（51007038）资助项目；台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》资助项目。
能够实现从给定的源变换到所需形式的电能，提供给相应的负载。
随着信息产业的快速发展，高效率高动态特性负载点(Point-of-load, POL)变换器得到了越来越多的应用。
例如给CPU供电的VRM就是一种特殊的POL 变换器。
随着计算机和通讯技术的快速发展，目前CPU的工作电压降低到1V，甚至1V以下，且动态电流上升率达到2A/ns[1]。
高功率密度和高效率是当今DC/DC模块的主要目标。
增大开关频率可以增大控制带宽，减少输出滤波电容的数量。
然而，目前广泛运用的传统多相Buck 变换器在高频工作时存在开关损耗大、驱动损耗大、SR体二极管损耗大等严重的缺点[2-8]。
文献[9]-[10]提出了自驱动ZVS非隔离全桥DC/DC变换器，如图1所示。
与传统两相Buck变换器相比，它具有以下优点：1)功率管的零电压开关；2)消除了SR驱动器，降低了成本；3)不需要调节死区时间，减小了SR体二极管导通损耗；4) 增大占空比，减小了主开关管关断损耗和SR体二极管的反向恢复损耗。
与Buck相比，自驱动ZVS非隔离全桥DC/DC变换器可以实现更高效率的电能转换。
然而，该变换器具有以下缺点：1)必须两相工作，环流损图1 自驱动ZVS非隔离全桥DC/DC变换器耗大；2) 变压器漏感对效率影响大，不能采用分立式变压器，限制了变换器在VR 场合的应用；3) 结构相对复杂，灵活性较差。
为了解决以上缺点，本文将原变换器解耦拆分成两个可以独立工作的单相变换器，该变换器一个模态工作在开关电容模态，另一个模态工作在PWM 调压模态，在保留了开关电容变换器动态响应快的优点的同时，通过调节占空比调节输出电压。
本文在分析工作原理的基础上，搭建了一台单相700kHz 1.2V/35A POL 原理样机，验证了理论分析的正确性。
2. 变换器推导自驱动ZVS 非隔离全桥DC/DC 变换器可以解耦成两个对称的部分，从而得到两个独立的单相变换器。
原变换器上下两相的输入和输出均是解耦的，只有变压器原边耦合在一起，C 点电位是随开关管开关而变化的。
要实现两相的解耦，就必须确保C 点电位不随开关管开关而变化。
当C 点电位固定后，则可以在C 点并联电容从而解耦，将变换器一分为二，形成两个可以独立工作的单相变换器。
可以改变开关管的控制时序，使S1和Q2同时开通和关断，S2和Q3同时开通和关断。
这样C 点的电位不随开关动作而变化，在C 点并联电容将上下两相进行解耦，可以得到单相的变换器，其主电路、主要波形和模态等效电路如图2。
在[t 0，t 1]时间段，开关管Q1导通，输入电压与变压器原边、隔直电容Cb 串联。
等效电路如图2(c)所示。
输出电压可以通过改变Q1的占空比进行调节。
此时电路可以看作一个调压变换器，工作在调压模态。
在[t 1，t 2]时间段，开关管Q1关断，开关管Q2、S1导通。
L 1与输出V o 并联，C b 与变压器原边(n V o，(a) 主电路(b)主要波形图(c) [t 0，t 1]等效电路 (d) [t 1，t 2]等效电路 图2 非隔离反激式开关电容PWM 直流变换器(a) 主电路(b) 主要波形图3 带有漏感的非隔离反激式开关电容PWM 直流变换器曹文静等： 非隔离反激式开关电容PWM 直流变换器n 为变压器原副边匝比)并联。
等效电路如图2(d)所示。
此时电路可以看作一个开关电容变换器，工作在开关电容模态，具有良好的动态特性[11,12]。
由以上的分析可知，拆分后的单相变换器一个周期内有两个模态，分别是开关电容模态和调压模态。
变换器是开关电容变换器与调压变换器的结合。
从能量传递的角度分析，电路的能量传递方式与反激变换器类似，因此将该变换器命名为非隔离反激式开关电容PWM 直流变换器。
该变换器克服了开关电容变换器对输出电压调节困难的缺点[13]，而开关电容模态使其保留了开关电容变换器动态响应快的优点。
与全桥变换器相比，拆分后的变换器是单相的，结构更加灵活。
根据不同的应用场合，可以通过并联的方式实现最优化的相数，并且每一相都是独立的。
此外，可以引入非线性控制方法提高变换器的动态性能[14]。
3. 工作原理在实际电路中，变压器的引入意味着引入了漏感。
当漏感很小可以忽略时，变换器的工作原理如上节所述。
当变压器漏感不可忽略时，漏感与开关管的(a) [t 0, t 1] (b) [t 1, t 2](c) [t 2, t 3] (d) [t 3, t 4](e) [t 4, t 5] (f) [t 5, t 6]图4 等效电路航空电源航空科技重点实验室学术年会(APSC’ 2011)论文集结电容谐振，可以实现开关管的ZVS 。
本节详细讨论带有漏感的非隔离反激式开关电容PWM 直流变换器的工作原理。
其主电路和主要波形如图3所示。
在分析前，做如下假设：1) 所有开关管和二极管均为理想器件；2) 所有电感、电容和变压器均为理想元件；3) 输出电容足够大，可近似认为是电压源。
变换器每个开关周期有6种开关模态，各个开关模态的等效电路如图4。
电路的工作原理如下所述：1）. 开关模态1 [t 0，t 1] [图4(a)]开关管Q1导通，变压器励磁电感L 1处于充电状态，流经L 1的电流i L1线性上升。
输入电能一部分存储在C b 中，其余部分储存在L 1中，输出能量由输出滤波电容C o 提供。
0100101()()cos ()()sin ()Lr Lr r in Cb r r i t I t w t t V V t w t t Z =−−+− (1a) 0101010()[()]cos () ()sin ()Cb in in Cb r r Lr r v t V V V t w t t Z I t w t t =−−⋅−+−(1b)上式中beq r C L /11=ω，beq r C L Z /1=，12L n L L r eq +=，I Lr(t0)和V Cb(t0)分别是t 0时刻流经L r 的电流和C b 两端电压。
2）. 开关模态2 [t 1，t 2] [图4(b)]在t 1时刻，开关管Q1关断， i Lr 给C Q1充电，给C Q2放电。
近似认为该模态C b 两端电压基本保持不变。
)(sin )( )(cos )()(1221121t t Z t V nV V t t t I t i r r Cb o in r Lr Lr −−++−=ωω (2)上式中)(/1212Q Q r r C C L +=ω, )/(212Q Q r r C C L Z +=。
直至充放电过程结束，模态2结束。
3）. 开关模态3 [t 2，t 3] [图4(c)]在t 2时刻，v ds(Q2)降低到0，此时给Q2触发信号，使Q2实现ZVS 开通。
同时同步整流管S1导通。
变压器漏感L r 与隔直电容C b 串联谐振，i Lr 迅速谐振到0，模态3结束。
2322323()()cos ()()sin ()Lr Lr r o Cb r r i t I t w t t nV V t w t t Z =−−+−(3a) 2323232()[()]cos () ()sin ()Cb o o Cb r r Lr r v t nV nV V t w t t Z I t w t t =−−⋅−+−(3b)上式中b r r C L /13=ω, b r r C L Z /3=。
