[发明专利]实现1/2n变比的可变级开关电容型AC-AC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及了一种无磁性元件变换器，尤其是涉及了电力电子变换的技术领域的一种实现1/2ⁿ变比的可变级开关电容型AC-AC变换器。

背景技术

传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点。同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。

电力电子系统集成化的关键技术之一是磁性元件(电感或变压器)的小型化和微型化，在软开关技术下提高开关频率无疑是一个十分有效的措施，这样电路中电感和变压器的体积都可以缩小，整个电路的性能都得到提升；然而，当开关频率达到400KHz-500KHz左右时，主开关与磁性元件的损耗增加，转换效率下降，电磁噪声加大，用于抑制噪声的滤波电容的体积随着增大，再提高开关频率，只能带来负面的影响，因此，通过提高开关频率的方式减小电源体积己经没有余地。

减少磁性元件的基本思路是发展无感变换器，开关电容型AC-AC变换器就是一种典型的无感变换器，它是将电容和一定数量的功率开关组合起来，电容的充放电通过对功率开关的控制实现，由电容和功率开关的组合实现许多不同变比的电路。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，深入研究开关电容型AC-AC变换器原理，本发明的目的在于提供一种实现1/2ⁿ变比的可变级开关电容型AC-AC变换器，设计了结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器来取代传统的变压器，并且同时可以达到实现1/2ⁿ变比的不同档位的电压输出，可应用于其他固定档位调速的设计中。

本发明采用的技术方案是：

本发明主要由多个基本单元电路依次级联构成：每个基本单元电路包括三个电容和四组依次串联的功率开关组，四组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组和第四功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；三个电容分别为第一电容、第二电容和第三电容，第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端；级联方式为由下一级基本单元电路中四组功率开关组串联后的两端并联到上一级基本单元电路中任一电容的两端，由此形成1/2ⁿ的变比的开关电容型AC-AC变换器。

所述第一级基本单元电路中四组功率开关组依次串联后的两端作为电源输入端，最后一级基本单元电路中任一电容两端作为电源输出端。

所述的基本单元电路的数量为N个，最后一级基本单元电路电源输出端的电压为电源输入端电压的1/2ⁿ。

所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接。

所述的功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。

基于变比为1/2的原理及电路结构，为了实现更多不同的变比，得到更多全新的电路拓扑结构，本发明提出了将变比为1/2的基本单元电路级联的新思路。将基本单元电路级联，打破了原有的基于电容的AC-AC变换器纵向拓展的固有思路，具有极大的创新性和研究价值。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，每一级基本单元电路中的第一电容、第二电容和第三电容两端的电压均为该级基本单元电路输入端电压的1/2；通过接入基本单元电路的级数的改变，实现逐级降压，以此控制对输出电压不同变比的变级选择。

本发明由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。随着电路中基本单元电路级数的增加，电路的等效内阻基本保持不变。与此同时降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度。

附图说明

图1是本发明变比为1/2ⁿ的N级电路拓扑图。

图2是本发明的基本单元电路的电路拓扑图。

图3是本发明中功率开关管接收驱动的PWM信号波形图。

图1和图2中：u_i、输入电压，R_L、负载电阻，u_o、输出电压。

图3中：D为PWM信号的占空比，T_S为PWM信号周期。