[發明專利]實現1/2n變比的可變級開關電容型AC-AC變換器

在審

• 申請號: 201510200079.7
• 申請日: 2015-04-26
• 公開（公告）號: CN104779808A
• 公開（公告）日: 2015-07-15
• 發明（設計）人: 蔡慧;由甲川;包蒞庭;陳衛民;汪偉
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: H02M5/08
• 分類號: H02M5/08;H02M5/22;H02M5/293
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

技術領域

本發明涉及了一種無磁性元件變換器，尤其是涉及了電力電子變換的技術領域的一種實現1/2ⁿ變比的可變級開關電容型AC-AC變換器。

背景技術

傳統的交流電能變換通常采用電磁變壓器，具有電氣隔離、效率高、容量大等優點，但也存在體積大、音頻噪聲大、諧波污染等缺點。同時傳統的電磁變壓器滿足不了電氣電子設備小型化的要求。

電力電子系統集成化的關鍵技術之一是磁性元件(電感或變壓器)的小型化和微型化，在軟開關技術下提高開關頻率無疑是一個十分有效的措施，這樣電路中電感和變壓器的體積都可以縮小，整個電路的性能都得到提升；然而，當開關頻率達到400KHz-500KHz左右時，主開關與磁性元件的損耗增加，轉換效率下降，電磁噪聲加大，用于抑制噪聲的濾波電容的體積隨著增大，再提高開關頻率，只能帶來負面的影響，因此，通過提高開關頻率的方式減小電源體積己經沒有余地。

減少磁性元件的基本思路是發展無感變換器，開關電容型AC-AC變換器就是一種典型的無感變換器，它是將電容和一定數量的功率開關組合起來，電容的充放電通過對功率開關的控制實現，由電容和功率開關的組合實現許多不同變比的電路。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，深入研究開關電容型AC-AC變換器原理，本發明的目的在于提供一種實現1/2ⁿ變比的可變級開關電容型AC-AC變換器，設計了結構簡單、控制簡便、成本低廉的新型電子變壓器來取代傳統的變壓器，并且同時可以達到實現1/2ⁿ變比的不同檔位的電壓輸出，可應用于其他固定檔位調速的設計中。

本發明采用的技術方案是：

本發明主要由多個基本單元電路依次級聯構成：每個基本單元電路包括三個電容和四組依次串聯的功率開關組，四組功率開關組依次分別為第一功率開關組、第二功率開關組、第三功率開關組和第四功率開關組，每組功率開關組包括兩個源極相互串聯的功率開關管；三個電容分別為第一電容、第二電容和第三電容，第一電容并聯在第一功率開關組和第二功率開關組串聯后的兩端，第二電容并聯在第三功率開關組和第四功率開關組串聯后的兩端，第三電容并聯在第二功率開關組和第三功率開關組串聯后的兩端；級聯方式為由下一級基本單元電路中四組功率開關組串聯后的兩端并聯到上一級基本單元電路中任一電容的兩端，由此形成1/2ⁿ的變比的開關電容型AC-AC變換器。

所述第一級基本單元電路中四組功率開關組依次串聯后的兩端作為電源輸入端，最后一級基本單元電路中任一電容兩端作為電源輸出端。

所述的基本單元電路的數量為N個，最后一級基本單元電路電源輸出端的電壓為電源輸入端電壓的1/2ⁿ。

所述的變換器的輸入端與220V的50Hz市電連接，輸出端與負載連接。

所述的功率開關組中的每個功率開關管均由驅動電路提供PWM信號進行驅動，驅動電路與各個功率開關管的柵極相連接。

基于變比為1/2的原理及電路結構，為了實現更多不同的變比，得到更多全新的電路拓撲結構，本發明提出了將變比為1/2的基本單元電路級聯的新思路。將基本單元電路級聯，打破了原有的基于電容的AC-AC變換器縱向拓展的固有思路，具有極大的創新性和研究價值。

本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果：

本發明僅以電容作為儲能元件，驅動信號控制功率開關管的導通與關斷，從而控制電容的充放電時間，每一級基本單元電路中的第一電容、第二電容和第三電容兩端的電壓均為該級基本單元電路輸入端電壓的1/2；通過接入基本單元電路的級數的改變，實現逐級降壓，以此控制對輸出電壓不同變比的變級選擇。

本發明由于不含有磁性元件，因此具有體積小、重量輕、電源效率高等優點。隨著電路中基本單元電路級數的增加，電路的等效內阻基本保持不變。與此同時降低了變換器的體積與重量，提高了功率密度。

附圖說明

圖1是本發明變比為1/2ⁿ的N級電路拓撲圖。

圖2是本發明的基本單元電路的電路拓撲圖。

圖3是本發明中功率開關管接收驅動的PWM信號波形圖。

圖1和圖2中：u_i、輸入電壓，R_L、負載電阻，u_o、輸出電壓。

圖3中：D為PWM信號的占空比，T_S為PWM信號周期。