一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器

本发明属于电力电子，具体涉及一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器。

背景技术：

1、随着大数据、云计算行业高速发展，数据中心算力需求持续激增，48v母线供电架构凭借适配性强、供电稳定性高的优势，已成为数据中心主流供电架构。在该架构中，中间母线变换器作为核心功率变换单元，需将48v输入电压高效降压至低压中间母线电压，其性能直接决定整个供电系统的功率密度与转换效率，是提升数据中心供电系统综合性能的关键。

2、目前，应用于该场景的主流降压变换器方案均存在技术短板，难以兼顾各项核心性能指标。其中，隔离式变压器变换器虽能够实现高降压比，但配套磁性元件体积庞大、结构设计复杂，大幅限制了系统功率密度的提升；纯开关电容变换器结构精简、集成度高，但存在导通损耗大、高变比适配能力差、器件成本较高的问题；传统多相buck变换器的降压工作范围有限，无法满足48v转低压的大幅度降压工况需求。

3、综上所述，现有各类降压变换器技术普遍存在缺陷，难以同时满足高降压比、高功率密度、高效率的核心应用需求，极大制约了数据中心48v供电系统的性能升级，因此亟需研发一种新型变换器解决上述技术痛点。

技术实现思路

1、本发明提供以下技术方案：一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，包括：飞跨电容c1,1～cn,2、开关管q1,1～qn+1,2、开关管sra、srb、耦合电感l1、l2、输入电压源vin、输出端vo、接地端、滤波电容co以及负载ro；所述耦合电感l1与l2相互耦合；n为大于等于1的整数。

2、变换器的电路连接方式为：开关管q1,1一端连接输入电压源vin正极，开关管q1,1另一端依序串联开关管q2,1、q3,1、……、qn+1,1后接耦合电感l1同名端；所述开关管q1,2一端连接输入电压源vin正极，开关管q1,2另一端依序串联开关管q2,2、q3,2、……、qn+1,2后接耦合电感l2异名端，耦合电感l2同名端接耦合电感l1异名端。

3、飞跨电容c1,1的两端分别接开关管q1,1、q2,1的连接节点与开关管q2,2、q3,2的连接节点，飞跨电容c1,2的两端分别接开关管q2,1、q3,1的连接节点与开关管q1,2、q2,2的连接节点；飞跨电容c2,1的两端分别接开关管q2,1、q3,1的连接节点与开关管q3,2、q4,2的连接节点，飞跨电容c2,2的两端分别接开关管q3,1、q4,1的连接节点与开关管q2,2、q3,2的连接节点，按照上述交叉连接规律依次级联，直至飞跨电容cn-1,1的两端分别接开关管qn-1,1、qn,1的连接节点与开关管qn,2、qn+1,2的连接节点，飞跨电容cn-1,2的两端分别接开关管qn,1、qn+1,1的连接节点与开关管qn-1,2、qn,2的连接节点；飞跨电容cn,1的两端分别接开关管qn,1、qn+1,1的连接节点与开关管qn+1,2、耦合电感l2的连接节点，飞跨电容cn,2的两端分别接开关管qn+1,1、耦合电感l1的连接节点与开关管qn,2、qn+1,2的连接节点。

4、滤波电容co与负载ro并联后的两端一端接地另一端接耦合电感l1、l2的连接节点；滤波电容co一端接地、另一端接输出端vo；开关管sra一端接地另一端接开关管qn+1,1、耦合电感l1的连接节点；开关管srb一端接地另一端接开关管qn+1,2、耦合电感l2的连接节点。

5、优选的，所述变换器中，单个开关电容单元包括开关管qn+1,1、qn+1,2与飞跨电容cn,1、cn,2；开关管qn+1,1一端接飞跨电容cn,1一端，飞跨电容cn,1另一端接开关管qn+1,2一端，开关管qn+1,2另一端接飞跨电容cn,2一端，飞跨电容cn,2另一端接开关管qn+1,1另一端；每级联一个开关电容单元，变换器降压比提升2倍。

6、优选的，当n取偶数时；开关管q1,1、q2,2、q3,1、……、qn,2、qn+1,1、开关管srb共用驱动波形φa；开关管q1,2、q2,1、q3,2、……、qn,1、qn+1,2、开关管sra共用驱动波形φb；驱动波形φa与驱动波形φb互补，占空比均为 50%，两组驱动波形之间设置死区时间。

7、更优的，所述死区时间内依靠耦合电感励磁电流ilm完成所有开关管输出电容软充放电，实现全部开关管零电压开通；忽略漏感值，软开关实现条件为：

8、（5）

9、可简写成计算式：

10、（6）

11、式中，lm为励磁电感值；cq(i,1)、cq(i,2)、csra、csrb分别为对应开关管输出电容；uq(i,1)、uq(i,2)、usra、usrb为对应开关管输出电容完全充放电所需电压差。

12、优选的，所述变换器电压增益满足：

13、（1）

14、式中，n为级联开关电容单元数量。

15、优选的，所述变换器电路两相对称运行；全部飞跨电容c1,1～cn,2稳态电压相等，满足：

16、（2）

17、飞跨电容cn,1与cn,2对应支路电流有效值相等、相位相差 180°。

18、优选的，所述变换器全部飞跨电容容值均为cf；驱动波形φa高电平时飞跨电容网络等效电容ceq1、驱动波形φb高电平时等效电容ceq2满足：

19、（3）

20、（4）

21、式中，n为级联开关电容单元数量。

22、优选的，所述变换器耦合电感漏感均等分布，lk1=lk2=lr/2，变换器谐振频率满足：

23、（9）

24、式中，lr为总等效漏感，cf为单只飞跨电容容值。

25、优选的，所述变换器用于数据中心48v母线两级供电架构的中间级电压变换，通过增减级联开关电容单元数量灵活调节降压变比。

26、本发明的有益效果是：

27、1.本发明可实现所有主功率开关管的软开关工作状态，有效消除开关管硬开关带来的开关损耗；同时变换器主要依靠开关电容网络承担电压降压功能，磁性元件参与功率变换的压力大幅降低，整体磁损耗显著减小，有效提升变换器整体电能转换效率，满足高效率工作需求。

28、2.本发明采用前级开关电容网络承担主要降压任务的拓扑结构，大幅降低了对大体积磁性器件的依赖，后级磁性元件可实现小型化设计，有效缩减变换器整体体积、降低器件占用空间，显著提升系统功率密度，适配数据中心高集成度的应用场景。

29、3.本发明拓扑结构可通过级联拓展多个开关电容单元，灵活实现超高降压比配置；结合开关电容网络与耦合电感混合降压的工作模式，有效突破传统变换器降压比受限的技术瓶颈，可完美适配数据中心48v母线转低压母线的大幅降压工况，拓扑适配性与应用范围更广。

1.一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，包括：飞跨电容c1,1～cn,2、开关管q1,1～qn+1,2、开关管sra、srb、耦合电感l1、l2、输入电压源vin、输出端vo、接地端、滤波电容co以及负载ro；所述耦合电感l1与l2相互耦合；n为大于等于1的整数；

2.根据权利要求1所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器中，单个开关电容单元包括开关管qn+1,1、qn+1,2与飞跨电容cn,1、cn,2；每级联一个开关电容单元，变换器降压比提升2倍。

3.根据权利要求1所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，当n取偶数时；开关管q1,1、q2,2、q3,1、……、qn,2、qn+1,1、开关管srb共用驱动波形φa；开关管q1,2、q2,1、q3,2、……、qn,1、qn+1,2、开关管sra共用驱动波形φb；驱动波形φa与驱动波形φb互补，占空比均为 50%，两组驱动波形之间设置死区时间。

4.根据权利要求3所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述死区时间内依靠耦合电感励磁电流ilm完成所有开关管输出电容软充放电，实现全部开关管零电压开通；忽略漏感值，软开关实现条件为：

5.根据权利要求1所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器电压增益满足：

6.根据权利要求1所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器电路两相对称运行；全部飞跨电容c1,1～cn,2稳态电压相等，满足：

7.根据权利要求1或6所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器全部飞跨电容容值均为cf；驱动波形φa高电平时飞跨电容网络等效电容ceq1、驱动波形φb高电平时等效电容ceq2满足：

8.根据权利要求1所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器耦合电感漏感均等分布，lk1=lk2=lr/2，变换器谐振频率满足：

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种级联开关电容单元的非隔离混合开关电容变换器，其特征在于，所述变换器用于数据中心48v母线两级供电架构的中间级电压变换。