1:2谐振开关电容变换器软启动电路及控制方法

本发明属于高效率高功率电力电子，具体涉及一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路及控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着电力电子技术的快速发展，小型化、高频化和高效率已经成为直流开关电源设计的基本要求。开关电容变换器（switched capacitor converter，scc）因其体积小和能量密度高在中小功率场合得到了广泛的应用。然而，由于开关电容变换器中电容在周期性的充放电过程中，电流应力较大，可能导致变换效率随着输出电流的增加而明显降低，所以，通过将谐振技术引入开关电容变换器，将电感元件与开关电容串联构成谐振单元，即谐振开关电容变换器（resonant switched capacitor converter，rescc），有利于对变换器效率及功率密度进一步优化，从而实现更好的性能。然而，由于升压谐振开关电容变换器高压启动时存在谐振电容和输出电容电压爬升速率过快而导致的谐振电流过大以及谐振电感饱和的问题，因此需要实现软启动即启机过程中对谐振电容和输出电容预充电至各自稳态工作下的电压。本发明以1:2谐振开关电容变换器为例，提出了一种适用于1:2谐振开关电容变换器软启动电路及控制方法。

技术实现思路

1、本发明在1:2谐振开关电容变换器拓扑基础上通过提出增加辅助开关管和辅助启动电阻，使得谐振电容和输出电容预充电，在此基础上还可以控制谐振电流峰值为定值，优化了谐振电流的控制，避免了由于硬启动导致的开关管过电流损坏以及谐振电感的饱和。本发明与传统的谐振开关电容变换器启动方案相比，有效控制了谐振电流，减少了软启动的时间，为类似拓扑的软启动提供了新思路。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路包括输入直流电压源uin、输入电阻rin、继电器relay、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、谐振电感lr、谐振电容cr、辅助启动电阻raux、辅助开关管qaux、输出电容co、负载电阻rload。所述输入直流电压源uin负极与地连接，输入直流电压源uin正极与输入电阻rin相连，继电器relay并联在输入电阻rin上，第三开关管q3的源极分别与第二开关管q2的漏极、输入电阻rin非输入电源端相连，第二开关管q2的源极与第一开关管q1的漏极相连，第一开关管q1的源极与地相连，第四开关管q4的源极与第三开关管q3的漏极相连，第四开关管q4的漏极与输出电容co的非接地端相连，负载电阻rload与输出电容co并联，谐振电容cr和谐振电感lr串联后并联在第三开关管q3的漏极和第二开关管q2的源极之间，辅助启动电阻raux和辅助开关管qaux串联后并联在第一开关管q1的两端，辅助开关管qaux的源极与地相连。

3、当输出电容co电压充电至输入直流电压vin之前，切断负载电阻rload，即空载启动。第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、辅助开关管qaux均不动作，继电器relay触点常开，电荷由输入直流电压源uin流经输入电阻rin、第三开关管q3和第四开关管q4的体二极管向输出电容co转移，输出电容co的充电形式为rc充电，直至输出电容co的电压为输入直流电压vin，驱动继电器使其触点闭合，第一阶段即输出电容co电压0-vin预充电阶段结束。

4、当输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，切断负载电阻rload，即空载启动。继电器relay触点常闭，第一开关管q1、第三开关管q3、第四开关管q4均不动作，通过控制辅助开关管qaux和第二开关管q2的开关状态以实现对谐振电容cr的电压0-vin预充电以及输出电容co电压vin-2vin预充电。直至输出电容co的电压为稳态工作下的平均电压2vin，第二阶段即输出电容co电压vin-2vin预充电阶段结束。输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，拓扑工作模态如下：

5、模态i：继电器relay触点保持常闭，电荷由输入直流电压源uin流过继电器relay、第三开关管q3的体二极管、谐振电容cr、谐振电感lr、辅助启动电阻raux、辅助开关管qaux。此过程中辅助开关管qaux驱动信号为高电平，第二开关管q2驱动信号为低电平，谐振电流先上升后缓降，谐振电容cr电压上升，输出电容co电压不变。

6、模态ii：继电器relay触点保持常闭，谐振电感lr上的能量经第二开关管q2、第三开关管q3的体二极管转移至谐振电容cr上。此过程中辅助开关管qaux驱动信号为低电平，第二开关管q2驱动信号为高电平，谐振电流续流降低至0，谐振电容cr电压小幅度上升，输出电容co电压不变。当谐振电流续流降低至0时，模态ii结束。

7、模态iii：继电器relay触点保持常闭，电荷由输入直流电压源uin流过继电器relay、第二开关管q2、谐振电感lr、谐振电容cr、第四开关管q4的体二极管至输出电容co。此过程中辅助开关管qaux驱动信号为低电平，第二开关管q2驱动信号为高电平，谐振电容cr电压下降，输出电容co电压上升。其中谐振电流为负的正弦半波，当谐振电流大小降低为0时，模态iii结束。

8、模态i、模态ii、模态iii循环往复，直至输出电容co的电压为稳态工作下的平均电压2vin，第二阶段即输出电容co电压vin-2vin预充电阶段结束，至此完成了谐振电容和输出电容的预充电，实现了软启动。此后进入稳态运行，接入负载电阻rload、辅助开关管qaux驱动信号常为低电平。

9、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

10、本发明实施例通过对1:2谐振开关电容变换器软启动电路的定频率控制和定谐振电流控制的各个工作模态的等效电路分析，避免了开关管的过电流损坏以及谐振电感的饱和。可见，本发明提供的是一种时间更短、可靠性更高的软启动电路。

1.一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路，其特征在于：包括输入直流电压源uin、输入电阻rin、继电器relay、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、谐振电感lr、谐振电容cr、辅助启动电阻raux、辅助开关管qaux、输出电容co、负载电阻rload；所述输入直流电压源uin负极与地连接，输入直流电压源uin正极与输入电阻rin相连，继电器relay并联在输入电阻rin上，第三开关管q3的源极分别与第二开关管q2的漏极、输入电阻rin非输入电源端相连，第二开关管q2的源极与第一开关管q1的漏极相连，第一开关管q1的源极与地相连，第四开关管q4的源极与第三开关管q3的漏极相连，第四开关管q4的漏极与输出电容co的非接地端相连，负载电阻rload与输出电容co并联，谐振电容cr和谐振电感lr串联后并联在第三开关管q3的漏极和第二开关管q2的源极之间，辅助启动电阻raux和辅助开关管qaux串联后并联在第一开关管q1的两端，辅助开关管qaux的源极与地相连。

2.一种基于权利要求1所述的1:2谐振开关电容变换器软启动电路的控制方法，其特征在于：当输出电容co电压充电至输入直流电压vin之前，切断负载电阻rload，即空载启动；第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、辅助开关管qaux均不动作，继电器relay触点常开，电荷由输入直流电压源uin流经输入电阻rin、第三开关管q3和第四开关管q4的体二极管向输出电容co转移，输出电容co的充电形式为rc充电，直至输出电容co的电压为输入直流电压vin，驱动继电器使其触点闭合，第一阶段即输出电容co电压0-vin预充电阶段结束。

3.根据权利要求2所述的一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路的控制方法，其特征在于：当输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，切断负载电阻rload，即空载启动；继电器relay触点常闭，第一开关管q1、第三开关管q3、第四开关管q4均不动作，通过控制辅助开关管qaux和第二开关管q2的开关状态以实现对谐振电容cr的电压0-vin预充电以及输出电容co电压vin-2vin预充电；直至输出电容co的电压为稳态工作下的平均电压2vin，第二阶段即输出电容co电压vin-2vin预充电阶段结束；输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，具体工作模态如下：

4.根据权利要求3所述的一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路的控制方法，其特征在于：当输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，设置辅助开关管qaux和第二开关管q2的启动频率为定值，具体工作模态如下：

5.根据权利要求3所述的一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路的控制方法，其特征在于：当输出电容co电压从vin充电至2vin的阶段，控制谐振电流峰值为定值，具体工作模态如下：

6.根据权利要求5所述的一种1:2谐振开关电容变换器软启动电路的定谐振电流控制方法，其特征在于：在任一周期当谐振电容cr的电压达到时模态一结束，具体如下：