[发明专利]大功率高效率电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明涉及电荷泵电路，将提供的直流电压转换为负电压、正负双电压、多倍电压。可进行数百瓦、千瓦以上的大功率转换，单元转换效率可达95％～99％。并可以将其应用到蓄电池组中为蓄电池组进行大功率动态能量均衡。

背景技术

传统的大功率直流-直流(DC-DC)转换电路，采用功率电感或变压器作为能量转换单元，存在转换效率不高，电磁干扰严重等问题。而传统电荷泵类则受电子开关和驱动方式的限制，无法实现大功率，主要应用于小功率，小电流电路。

发明内容

本单元电路由一个4路(及以上)隔离直流输出5V～20V电路、一个双路(及以上)PWM(脉宽调制)电路、4个(及以上)光电或磁隔离门极驱动芯片、8个(及以上)MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)组成的4个电子开关、1个(及以上)输入缓冲电容、1个(及以上)转换储能电容、1个(及以上)输出电容共同组成。

电路采用隔离直流输出5V～20V电路和光电或磁隔离门极驱动芯片，解决电子开关所在的不同位置导致的电位不同所引发的难以控制问题。采用带有死区时间(Death-Time)的PWM电路解决电子开关的控制顺序，并保证不同相位的电子开关不同时导通。

通过将本单元电路串联、并联、及与输入电压不同连接方式，可实现负电压电路，正负双电压，多倍压电路，及蓄电池动态能量均衡。由于功率MOSFET有非常低的导通电阻，所以本电路的转换效率非常高，额定功率下，可达95％～99％，比传统电路有很大的优势。

附图说明

图1为本发明的单元电路实施电路图；

图2为本发明的单元电路的脉宽信号相位及死区时间说明图；

图3为本发明的单元电路的简化图；

图4为本发明的单元电路构成的负压电路图；

图5为本发明的单元电路构成的倍压电路图；

图6为本发明的单元电路串联构成的多倍压电路图；

图7为本发明的单元电路级联构成的多倍压电路图；

图8为本发明的单元电路构成蓄电池动态能量均衡器电路图；

具体实施方式

如图1所示，PIN+、PIN-接入直流电源B1，电容C1被充电；电路DC1产生4路隔离直流输出(V1+，V1-…V4+，V4-)为OP1、OP2、OP3、OP4供电；当PWM1电路的CP1输出高电平，信号经OP1、OP2隔离后控制N11、N12、N21、N22导通，电容C1向C2充电；当CP2输出高电平，信号经OP3、OP4隔离后控制N31、N32、N41、N42导通，电容C2向C3充电；如图2所示，由于CP1与CP2为互补并带有死区时间的脉宽信号，N11、N12、N21、N22组成电子开关与N31、N32、N41、N42组成电子开关不会同时导通；最终POUT+、POUT-将输出和PIN+、PIN-相同并隔离的直流电压。

电路DC1为常规小功率隔离直流输出电路，每路输出5～20V电压。电路PWM1为常规脉宽调制电路，产生互补并带有死区时间的脉宽信号。

图3所示为本单元电路的简化图，用以解释后续应用电路。

如图4所示，将POUT+和PIN-连接，此时POUT-将输出相对于输入电压的负电压，PIN+、POUT+、POUT-将构成正负电路，例如：PIN+输入电压为12V，则POUT-输出为-12V，POUT+为公共地.PIN+为+12V。

如图5所示，将POUT-和PIN+连接，此时POUT+将输出输入电压的两倍。例如：输入电压为12V，则POUT+将输出24V。

如图6所示，将多个单元U1…Un进行串联，此时最终的输出电压＝输入电压×单元数。

如图7所示，将多个单元U1…Un进行级联，此时输出的电压＝输入电压×(单元数^2)。例如：输入电压为12V，单元数为4个，则输出电压为192V。

如图8所示，将多个单元U1…Un输入端并联，输出端与B1…Bn蓄电池组进行连接，由于MOSFET具有双向导电性，电荷将从电压比较高的蓄电池流向比较低的蓄电池组，以实现蓄电池组动态能量均衡。

本发明的单元电路的输出功率和效率由所采用的电子开关器件的导通电阻和电容的ESR(串联等效电阻)决定。实验测试中，在额定功率下，单元转换效率可达95％～99％。电路具有可串联可并联的优点，可获得更高倍数的电压或更大的功率。