多模混合开关电容变换器

本发明属于电力电子，更为具体地讲，涉及一种多模混合开关电容变换器。

背景技术：

1、降压变换器广泛应用于各类电气设备、家用电器、便携式设备等中。对于照明系统、储能系统和新能源发电系统，对变换器的宽电压增益有较高需求，需要宽电压转换比的变换器。

2、在当前技术中，buck变换器因其简单的电路结构和控制方法获得非常广泛的应用，但是因为buck变换器的增益等于占空比，所以在高降压转换比运行时占空比过小且器件应力增大导致其效率降低，进而使其在宽增益兼顾高降压的场景下应用受到限制。

3、为了提高buck类变换器在高降压比场景下的电能转换效率并降低器件应力，现已提出多种方法，如将buck变换器与耦合电感、开关电容单元相结合的方法，基于llc变换器、具有耦合电感和谐振抽头串联电容降压变换器的高降压比sigma变换器等，但这些方法仅能够满足高降压比场景下的高效电能变换，而难以同时满足宽增益的需求。

4、为了实现宽电压转换比，一些方法被提出以适应宽输入范围或宽输出范围的需要，如串接电容式交错并联变换器可以通过串接电容分压使每一相的电路工作在较小的电压应力下，同时每一相的电感共同分担负载的电流，结合不同的工作区间以同时实现宽电压转换比、高降压比和低功率损耗的特性，但上述方法因为引入额外的磁性器件从而增大了电路体积、因为增加电路的复杂度从而提高了控制的难度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多模混合开关电容变换器，通过不同的开关信号组合可将电压转换比分为三个区间，从而实现连续的宽降压比，同时释放调节应力，提高开关电容变换器的性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明多模混合开关电容变换器包括直流电源vi，开关管smain，开关管sa1，开关管sa2，开关管sa3，开关管sb1，开关管sb2，开关管sb3，飞跨电容c1，飞跨电容c2，电感l，输出电容co和负载电阻ro，其中：

3、直流电源vi正极与开关管smain的漏极连接，负极与开关管sa3的源极、开关管sb3的源极以及输出电容co、负载电阻ro的一端连接；开关管smain的源极与飞跨电容c1的正极、开关管sa1的漏极连接；飞跨电容c1的负极与开关管sa2的源极、开关管sa3的漏极连接；开关管sa2的漏极与开关管sa1的源极、开关管sb1的漏极、飞跨电容c2的正极连接；飞跨电容c2的负极与开关管sb2的源极、开关管sb3的漏极连接；开关管sb2的漏极与开关管sb1的源极、电感l的一端连接；电感l的另一端与输出电容co、负载电阻ro的另一端连接；

4、多模混合开关电容变换器包括以下三个工作区间：

5、第一工作区间为1/2≤vo/vi<1，vo表示输出直流电压，在此工作区间内开关管smain的占空比d1∈[1/2,1]；第一工作模态下开关管smain、开关管sa1和开关管sb1导通，其余关断；第二工作模态下开关管sa1、开关管sb1、开关管sb2和开关管sb3导通，其余关断；

6、第二工作区间为1/4≤vo/vi<1/2，在此工作区间内开关管smain的占空比d1∈[1/4,1/2)；第一工作模态下开关管smain、开关管sa1和开关管sb2导通，其余关断；第二工作模态下开关管sa1、开关管sb1、开关管sb3导通，其余关断，该工作模态持续到飞跨电容c2的电容电压降至0；第三工作模态下开关管sa1、开关管sb1、开关管sb3导通，其余关断；

7、第三工作区间为0≤vo/vi<1/4，在此工作区间内开关管smain、开关管sa2的占空比d1∈(0,1/4)，开关管sa1、开关管sa3的占空比d2∈(0,1/4)，且开关管sa1、开关管sa3滞后开关管smain、开关管sa2时间d1t开通；第一工作模态下开关管smain、开关管sa2和开关管sb2导通，其余关断；第二工作模态下开关管sa1、开关管sa3、开关管sb2导通，其余关断；第三工作模态下开关管sb1、开关管sb3导通，其余关断，该模态持续到飞跨电容c2的电容电压降至0；第四工作模态下开关管sb1、开关管sb3导通，其余关断。

8、本发明多模混合开关电容变换器，包括7个开关管，2个飞跨电容和1个电电感，根据不同的开关信号组合可将电压转换比分为三个工作区间：[1/2,1)，[1/4,1/2)和(0,1/4)，其中第一工作区间包含两个工作模态，第二工作区间包含三个工作模态，第三工作区间包含四个工作模态，从而实现连续的宽降压比，同时释放调节应力。

9、本发明具有以下有益效果：

10、1)本发明利用开关电容拓扑的固有特性，实现在较少器件的情况下实现高降压比；

11、2)本发明通过切换不同的工作区间，可以在保证器件应力不过大的情况下实现宽电压转换比；

12、3)本发明基于单一电感，不引入额外的磁性器件避免增加拓扑的高度和体积。

13、4)本发明根据不同的开关信号组合可将电压转换比分为三个区间：[1/2,1)，[1/4,1/2)和(0,1/4)，以实现连续的宽降压比，同时释放调节应力；通过选择工作区间实现电压粗调，通过改变特定开关的占空比以实现电压的精细调节。

技术特征：

1.一种多模混合开关电容变换器，其特征在于，包括直流电源vi，开关管smain，开关管sa1，开关管sa2，开关管sa3，开关管sb1，开关管sb2，开关管sb3，飞跨电容c1，飞跨电容c2，电感l，输出电容co和负载电阻ro，其中：

技术总结
本发明公开了一种本发明多模混合开关电容变换器，包括7个开关管，2个飞跨电容和1个电电感，根据不同的开关信号组合可将电压转换比分为三个工作区间：[1/2,1)，[1/4,1/2)和(0,1/4)，其中第一工作区间包含两个工作模态，第二工作区间包含三个工作模态，第三工作区间包含四个工作模态，从而实现连续的宽降压比，同时释放调节应力。

技术研发人员：余娜,韩雨伯,罗仕华,胡维昊,张真源,元一平,杜月芳,曹迪,郭中杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23