一种低输出纹波高降压比开关变换电路的制作方法

本发明属于变换器，尤其涉及一种低输出纹波高降压比开关变换电路。

背景技术：

1、随着信息技术、人工智能、大数据、云计算等技术的快速发展，配电系统所需负载电流的不断增加，母线电压进一步提高，而cpu等其他低压大电流装置所需的供电电压较低，更高的转换比意味着变换器更低的整机效率与更低的功率密度，这对传统高降压比开关变换器带来了严峻的挑战，迫切需要一种高效率、高功率密度的低输出纹波高降压比开关变换电路。

2、为了满足此类需要高降压应用场合的需求，国内外学者开展了大量的研究，目前已提出了两级式结构与单级式结构两种解决方案。在两级式解决方案中，后级结构普遍采用多相buck变换器，前级结构虽有大量拓扑可供选择，但主流方案为具有软开关和低电压应力特性的llc-dcx变换器。但由于两级式结构存在高降压比条件下多相交错buck变换器峰值效率较低、中间母线电流应力过大等问题，限制了整机效率的提升，功率密度和效率往往低于单级式解决方案。

3、单级式解决方案可分为隔离型与非隔离型。隔离型结构通常采用增加变压器匝数比的方式，提高降压比以实现高降压变换，但其存在变压器体积过大，功率密度难以提升的固有问题。为减小磁性元件体积，单级式隔离型变换器通常选择更高的开关频率，这将不可避免地导致开关损耗的提升，即使采用谐振技术，也存在循环能量导致的空载损耗等问题。而电容网络开关变换器仅利用开关管和电容实现电压转换，且具有易集成与高功率密度的优势，适合于需要高效率、高功率密度特性的应用场景。

4、经研究发现，改进型buck变换器相较于多相buck变换器增加了一个储能电容，但具有更低的电压应力、更高的峰值效率与电感电流自动均衡功能，无论是从效率角度还是控制成本角度，都比多相交错buck变换器具有更大的优势，更适合作为高降压应用后级方案。改进型buck变换器如图1所示。此外，电容网络开关变换器由于只需开关管和电容实现降压变换，具有天然的高功率密度特性，更适合作为前级方案，高降压比电容网络如图2所示。若能将两类拓扑进行结合，并将两级式结构转化为单级式结构，可为需要高降压比、低输出纹波、高效率的应用场景提供了一种单级式解决方案。

技术实现思路

1、为解决传统高降压比开关变换器难以实现高效率、高功率密度、高降压比与低电压纹波同时兼顾的问题，本发明电路结合高降压比电容网络与改进型buck变换器低纹波的优势，将两类拓扑进行整合及冗余开关复用，提供了一种低输出纹波高降压比开关变换电路。

2、本发明的一种低输出纹波高降压比开关变换电路，包括主功率电路及其控制电路。

3、开关变换电路为3阶低输出纹波高降压比开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s11、飞跨电容c1、c2、c3、c4、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

4、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s5漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s5源极连接到开关管s8漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s8源极连接到地，门级连接到驱动vh2；飞跨电容c1一侧连接到开关管s1与s2之间，另一侧连接到开关管s5与s8之间；开关管s3漏极连接到开关管s2源极，源极连接到开关管s6漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s6源极连接到开关管s9漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s9源极连接到地，门级连接到驱动vh1；飞跨电容c2一侧连接到开关管s2与s3之间，另一侧连接到开关管s6与s9之间；开关管s4漏极连接到开关管s3源极，源极连接到开关管s7漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s7源极连接到开关管s10漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s10源极连接到地，门级连接到驱动vl1；飞跨电容c3一侧连接到开关管s3与s4之间，另一侧连接到开关管s7与s10之间；飞跨电容c4一侧连接到开关管s4与s7之间，另一侧连接到开关管s11漏极；开关管s11源极连接到地，门级连接到驱动vl2；储能电感l1一侧连接到开关管s11漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s10漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

5、控制电路采用两路相位交错的互补导通电压模式控制策略，包括由rf1与rf2构成的电压采样电路、误差放大器ea、由rcomp、ccomp、cff构成的二型补偿网络、移相发生器与驱动模块。

6、其中，s1、s3、s5、s7、s9驱动信号相同，为vh1，与s10驱动信号互补，为vl1；s2、s4、s6、s8驱动信号相同，为vh2，与s11驱动信号互补，为vl2；s10与s11相位互差180°；s1、s3、s5、s7、s9与s2、s4、s6、s8相位互差180°；采样电阻rf1一侧连接到输出端，另一侧连接到误差放大器ea反相端；采样电阻rf2一侧连接到误差放大器ea反相端，另一侧连接到信号地；误差放大器ea同相端连接到基准电压vref；电容ccomp一侧连接到误差放大器ea反相端，另一侧连接到电阻rcomp；电阻rcomp另一侧连接到误差放大器ea的输出端；电容cff一侧连接到误差放大器ea反相端，另一侧连接到误差放大器ea的输出端；比较器反相端连接到误差放大器ea输出端，同相端接入三角载波vsaw，输出端与驱动模块和移相发生器相连。

7、控制方式具体为：当输出电压达到被控目标电压时，经过二型补偿网络以及误差放大后，误差放大器ea的误差电压信号ve可视为固定的电平，送入比较器的反相端中，与比较器同相端的三角载波进行比较，得到一个具有高低电平的方波信号，并生成对应互补信号；进一步将信号送入移相发生器中进行180°相移，得到两路错相的互补信号vh1、vl1、vh2、vl2，送入对应开关管以控制其导通与关断，最终实现恒压控制。

8、开关变换电路为2阶低输出纹波高降压比开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s8、飞跨电容c1、c2、c3、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

9、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到开关管s4漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s4源极连接到地，门级连接到驱动vh2；飞跨电容c1一侧连接到开关管s1与s2之间，另一侧连接到开关管s3与s4之间；开关管s5漏极连接到开关管s2源极，源极连接到开关管s6漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s6源极连接到开关管s7漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s7源极连接到地，门级连接到驱动vl2；飞跨电容c2一侧连接到开关管s2与s5之间，另一侧连接到开关管s6与s7之间；飞跨电容c3一侧连接到开关管s5与s6之间，另一侧连接到开关管s8漏极；开关管s8源极连接到地，门级连接到驱动vl1；储能电感l1一侧连接到开关管s8漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s7漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

10、开关变换电路为n阶低输出纹波高降压比开关变换电路时，主功率电路包括功率开关管s1、s2、s3、……、s3n+2、飞跨电容c1、c2、c3、……、cn+1、滤波电感l1、l2、输出滤波电容co。

11、其中，开关管s1漏极连接电压源，源极连接到开关管s2漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s2源极连接到开关管s3漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3源极连接到开关管s4漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s4源极连接到地，门级连接到驱动vh2；飞跨电容c1一侧连接到开关管s1与s2之间，另一侧连接到开关管s3与s4之间；开关管s5漏极连接到开关管s2源极，源极连接到开关管s6漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s6源极连接到开关管s7漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s7源极连接到地，门级连接到驱动vl2；飞跨电容c2一侧连接到开关管s2与s5之间，另一侧连接到开关管s6与s7之间；开关管s8漏极连接到开关管s5源极，源极连接到开关管s9漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s9源极连接到开关管s10漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s10源极连接到地，门级连接到驱动vh2；飞跨电容c3一侧连接到开关管s5与s8之间，另一侧连接到开关管s9与s10之间；飞跨电容c3一侧连接到开关管s5与s8之间，另一侧连接到开关管s9与s10之间；下面n表示为低输出纹波高降压比主功率电路阶数，当n为奇数时，有：开关管s3n-1漏极连接到开关管s3n-4源极，源极连接到开关管s3n漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3n源极连接到开关管s3n+1漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s3n+1源极连接到地，门级连接到驱动vl1；飞跨电容cn一侧连接到开关管s3n-4与s3n-1之间，另一侧连接到开关管s3n+1与s3n+2之间；飞跨电容cn+1一侧连接到开关管s3n-1与s3n之间，另一侧连接到开关管s3n+2漏极；开关管s3n+2源极连接到地，门级连接到驱动vl2；当n为偶数时，有：开关管s3n-1漏极连接到开关管s3n-4源极，源极连接到开关管s3n漏极，门级连接到驱动vh1；开关管s3n源极连接到开关管s3n+1漏极，门级连接到驱动vh2；开关管s3n+1源极连接到地，门级连接到驱动vl2；飞跨电容cn一侧连接到开关管s3n-4与s3n-1之间，另一侧连接到开关管s3n+1与s3n+2之间；飞跨电容cn+1一侧连接到开关管s3n-1与s3n之间，另一侧连接到开关管s3n+2漏极；开关管s3n+2源极连接到地，门级连接到驱动vl1；储能电感l1一侧连接到开关管s8漏极，另一侧连接到输出电容co；储能电感l2一侧连接到开关管s7漏极，另一侧连接到输出电容co；输出负载并联于输出电容co两端。

12、本发明与现有技术相比的有益技术效果为：

13、1、本发明将改进型buck变换器与高降压比电容网络进行了整合与冗余时序复用，相较于其两级式结构减少了6个功率管数量与1个飞跨电容数量，而具有相同的电压转换比，极大提升了功率密度。

14、2、本发明仅采用4个飞跨电容即可实现近百倍降压比，无需变压器，且占空比固定在9％左右，优于多数传统单级式电容网络开关变换器拓扑。

15、3、本发明仅通过设计飞跨电容容值即可实现所有电容的完全软充电与软放电，以消除电容网络电荷转移损耗的固有缺陷，在不额外引入驱动的同时提升了整机效率，优于多数单级式传统开关变换器拓扑。

16、4、本发明由于具有高降压比电容网络结构，可降低两路对称电感两端电压，在同等开关频率下具有更低的输出电压纹波，更适合需要高降压比低输出电压纹波应用场合。

17、5、本发明可通过调节交错占空比进而实现电感电流自动均衡，无需额外加入电感电流自动均衡模块，可简化控制方案。