一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源制造技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，该电源包括输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；其中第一功率变换部分包含一个级数为n的开关电容型电路，该部分可以为双端口输入、双端口输出的四端口电路或者双端口输入、单端口输出的三端口电路，第二功率变换部分是一个双端口输入、双端口输出的多模块功率变换部分。所述电源将开关电容拓扑隔离型变换器相结合，能够提供高变压比和电压隔离，并能降低开关器件耐压，提高效率和功率密度。同时可根据电压及功率等级灵活拓展，适用于高压输入、低压大电流输出且有高功率密度需求的隔离/非隔离电源应用。功率密度需求的隔离/非隔离电源应用。功率密度需求的隔离/非隔离电源应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源


[0001]本专利技术涉及电力电子
，特别涉及一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源。

技术介绍

[0002]近年来数据中心快速发展，相关用电量也大幅上升，为提升输配电效率，降低传输线传输损耗，48V总线体系已经成为一种新的标准，而数据中心的主要负载为处理器，其供电电压通常在1V左右，如何实现高效率、高降压比和高功率密度的隔离型DC
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DC变换，是数据中心供电的难点问题。
[0003]文献A 48V
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to
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1V Buck
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Assisted Active
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Clamp Forward Converter with Reduced Voltage Stress for Datacenter Applications(2020IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2020)提出了一种有源钳位的正激型变换器，通过一级Buck部分以及一级单管正激部分来实现高降压比和高压隔离，但拓扑中开关管承受的最大电压应力仍较高，为输入电压，且变压器原边电压也较高，为实现高降压比，需要增加绕组匝数，增大了变压器体积，而且原副边绕组均只在一个模态中传递功率，绕组利用率低。
[0004]文献48V to 1V voltage regulator module with magnetic integration(2018 1st Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia(WiPDA Asia),2018)使用了全桥LLC变换器，通过对变压器的设计，以减小拓扑中磁性原件部分的体积，但变压器原边侧所有功率开关管的电压应力仍较高，而且原边绕组承受的电压应力也并未减小，仍需要很大的绕组匝数，且变压器副边采用双绕组结构，绕组利用率低。
[0005]为减小开关器件的电压应力并减小变压器体积，文献18.6 A 92.8％
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Peak
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Efficiency 60A 48V
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to
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1V 3
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Level Half
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Bridge DC
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DC Converter with Balanced Voltage on a Flying Capacitor(2020IEEE International Solid
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State Circuits Conference
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(ISSCC),2020)使用了一个三电平半桥变换器，使变压器原边绕组的电压承受的电压仅为输入电压的四分之一，同时开关管承受的最大电压应力也下降为输入电压的二分之一。但其拓展性较差，且变压器及开关管承受的电压应力仍相对较高，原边功率电流路径阻抗较大，系统效率低。此外，该拓扑需要对飞跨电容进行额外的控制，以保持其电压平衡，而且原边侧开关管仅有一个是接地的，其余开关管都浮地，为系统的驱动设计带来了困难。

技术实现思路

[0006]鉴于上述，为解决现有技术中存在的开关管及变压器原边绕组承受的电压应力高，效率及功率密度低，不便于拓展的问题，本专利技术提供了一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，该电源由一级可拓展的开关电容部分和一级可拓展的整流部分组成，开关电容部分由传统的Dickson开关电容拓扑变换而来，通过多级电容来降低开关管的电压应力及整流部分的输入电压幅值。根据输入电压和功率等级，可灵活调整开关电容部分的级
数和整流模块数，拓展性好，且变压器原副边绕组利用率高，适用于高压输入、低压大电流输出场合下有高功率密度需求的隔离/非隔离的电源应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术首先提供了一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，其输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；
[0009]所述第一功率变换部分是一个n级的开关电容电路，其是一个四端口网络
[0010]第一功率变换部分内部包含n+1个高侧开关管、n个电容、2个低侧开关管和四个端口，其中第一高侧开关管的漏极和第一功率变换部分的第一端口相连，第一低侧开关管的源极、第二低侧开关管的源极以及第一功率变换部分的第四端口共接，其余部分的连接方式为，第i高侧开关管的源极、第i电容的正极以及第i+1高侧开关管的漏极共接，所有编号为奇数的电容的负极、第一低侧开关管的漏极以及第一功率变换部分的第二端口共接，所有编号为偶数的电容的负极、第二低侧开关管的漏极以及第一功率变换部分的第三端口共接，若n+1为奇数，则第n+1高侧开关管的源极与第一功率变换部分的第二端口共接，若n+1为偶数，则第n+1高侧开关管的源极与第一功率变换部分的第三端口相连，其中i、n都是整数，且1≤i≤n，
[0011]所述第二功率变换部分包含k个整流模块和四个端口，
[0012]第二功率变换部分中的每个整流模块包含一个变压器、两个整流开关管、两个电感和四个端口，每个整流模块内部连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块的第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流开关管的漏极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流开关管的漏极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第四端口共接，第一整流开关管的源极、第二整流开关管的源极和整流模块的第三端口共接，
[0013]第二功率变换部分内部的连接方式为，第一整流模块的第一端口和第二功率变换部分的第一端口共接，第j整流模块的第二端口和第j+1整流模块的第一端口相连，第k整流模块的第二端口和第二功率变换部分的第二端口相连，所有整流模块的第三端口和第二功率变换部分的第三端口共接，所有整流模块的第四端口和第二功率变换部分的第四端口共接，其中，j、k为整数，且1≤j≤k
‑
1；
[0014]输入源、第一功率变换部分、第二功率变换部分之间的连接方式为：第一功率变换部分的第一端口与输入源的正极相连，第一功率变换部分的第二端口与第二功率变换部分的第一端口相连，第一功率变换部分的第三端口与第二功率变换部分的第二端口相连，第一功率变换部分的第四端口与输入源的负极相连，第二功率变换部分的第三端口用于连接外部负载的正极，第二功率变换部分的第四端口用于连接外部负载的负极。
[0015]本专利技术还提供了另一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，其包括：输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；
[0016]所述第一功率变换部分是一个n级的开关电容电路，其是一个三端口网络；
[0017]第一功率变换部分内部包含n+1个高侧开关管、n个电容、4个低侧开关管和三个端口，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，其特征在于包括：输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；所述第一功率变换部分是一个n级的开关电容电路，其是一个四端口网络第一功率变换部分内部包含n+1个高侧开关管、n个电容、2个低侧开关管和四个端口，其中第一高侧开关管的漏极和第一功率变换部分的第一端口相连，第一低侧开关管的源极、第二低侧开关管的源极以及第一功率变换部分的第四端口共接，其余部分的连接方式为，第i高侧开关管的源极、第i电容的正极以及第i+1高侧开关管的漏极共接，所有编号为奇数的电容的负极、第一低侧开关管的漏极以及第一功率变换部分的第二端口共接，所有编号为偶数的电容的负极、第二低侧开关管的漏极以及第一功率变换部分的第三端口共接，若n+1为奇数，则第n+1高侧开关管的源极与第一功率变换部分的第二端口共接，若n+1为偶数，则第n+1高侧开关管的源极与第一功率变换部分的第三端口相连，其中i、n都是整数，且1≤i≤n，所述第二功率变换部分包含k个整流模块和四个端口，第二功率变换部分中的每个整流模块包含一个变压器、两个整流开关管、两个电感和四个端口，每个整流模块内部连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块的第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流开关管的漏极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流开关管的漏极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第四端口共接，第一整流开关管的源极、第二整流开关管的源极和整流模块的第三端口共接，第二功率变换部分内部的连接方式为，第一整流模块的第一端口和第二功率变换部分的第一端口共接，第j整流模块的第二端口和第j+1整流模块的第一端口相连，第k整流模块的第二端口和第二功率变换部分的第二端口相连，所有整流模块的第三端口和第二功率变换部分的第三端口共接，所有整流模块的第四端口和第二功率变换部分的第四端口共接，其中，j、k为整数，且1≤j≤k
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1；输入源、第一功率变换部分、第二功率变换部分之间的连接方式为：第一功率变换部分的第一端口与输入源的正极相连，第一功率变换部分的第二端口与第二功率变换部分的第一端口相连，第一功率变换部分的第三端口与第二功率变换部分的第二端口相连，第一功率变换部分的第四端口与输入源的负极相连，第二功率变换部分的第三端口用于连接外部负载的正极，第二功率变换部分的第四端口用于连接外部负载的负极。2.一种基于开关电容的混合型高降压比直流电源，其特征在于包括：输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；所述第一功率变换部分是一个n级的开关电容电路，其是一个三端口网络；第一功率变换部分内部包含n+1个高侧开关管、n个电容、4个低侧开关管和三个端口，其中第一高侧开关管的漏极和第一功率变换部分的第一端口相连，第i高侧开关管的源极、第i电容的正极以及第i+1高侧开关管的漏极共接，所有编号为奇数的电容的负极、第一低侧开关管的漏极以及第三低侧开关管的漏极共接，所有编号为偶数的电容的负极、第二低侧开关管的漏极以及第四低侧开关管的漏极共接，若n+1为奇数，则第n+1高侧开关管的源极与第一低侧开关管的漏极共接，若n+1为偶数，则第n+1高侧开关管的源极与第二低侧开
关管的漏极共接，第二低侧开关管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈万园，杨旭，任晟道，李武华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：