三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路及方法

摘要

本发明涉及一种三电平降压DC‑DC转换器飞行电容平衡电路及方法，属于电源管理电路领域。通过增加与飞行电容CF容值相等的辅助电容CA、开关S1、S2、S3，通过控制飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式来实现飞行电容电压的平衡控制。本发明实现了占空比D0.5两种模式下三电平降压转换器飞行电容电压的平衡调节，可以解决不同占空比状态下三电平降压转换器的飞行电容电压不平衡问题，提高了系统稳定性。相比于背景技术中提出的带有固定频率和自适应导通时间的控制方案(CF‑AOT)，该结构无需复杂的控制环路即可实现飞行电容电压VCF的平衡控制，具有结构简单、易于调节、稳定性强的优点。

说明书

技术领域

本发明属于电源管理电路领域，尤其涉及三电平降压DC-DC转换器。

背景技术

由于锂离子电池、物联网产品等应用场景的不断扩展，目前对降压型DC-DC转换器的需求量也在迅速增长，尤其是具有低转换比的降压转换器，但具有此类特性的传统二电平降压转换器通常寄生电容和开关损耗较大，同时也会产生较大的电感电流纹波。

三电平降压转换器的归一化电感电流纹波和输出电压纹波可以分别减少4倍和8倍，对于降低转换器的传导损耗和开关损耗具有十分有利的作用，然而三电平变换器在实际工作中会受到开关频率、寄生电容、栅极控制信号等因素的影响，会导致飞行电容电压无法平衡到输入电压V

目前针对三电平转换器飞行电容平衡问题的研究主要如文献1【J.Xue andH.Lee,“A2MHz 12–100V 90％efficiency self-balancing ZVS reconfigurable three-level DC-DC regulator with constant-frequency adaptive-on-time V

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种使用辅助电容的三电平降压转换器的飞行电容平衡电路，该变换器不需要任何反馈回路就可以将飞行电容电压平衡到V

技术方案

一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路，其特征在于增加辅助电容C

本发明技术方案更进一步的说：包括占空比D<0.5和占空比D>0.5的两种模式，当占空比D<0.5时，电路由四个功率管M

本发明技术方案更进一步的说：包括占空比D<0.5和占空比D>0.5的两种模式，当占空比D>0.5时，电路由四个功率管M

一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡方法，其特征在于分为四个工作阶段：φ

一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡方法，其特征在于分为四个工作阶段：φ

有益效果

本发明提出的一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路及方法，当占空比D<0.5时，采用模式1的电路结构，通过调节四个功率管M

本发明电路结构实现了占空比D<0.5和占空比D>0.5两种模式下三电平降压转换器飞行电容电压的平衡调节，可以解决不同占空比状态下三电平降压转换器的飞行电容电压不平衡问题，提高了系统稳定性。相比于背景技术中提出的带有固定频率和自适应导通时间的控制方案(CF-AOT)，该结构无需复杂的控制环路即可实现飞行电容电压V

本发明提出的一种新型的飞行电容电压平衡方式，利用一个辅助电容来实现飞行电容电压调节的方法，并在三电平工作周期的不同阶段改变飞行电容C

附图说明

图1为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1和模式2的结构框图；

图2为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1电路工作状态图；

图3为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1电路工作状态等效电路图；

图4为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2电路工作状态图；

图5为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2电路工作状态等效电路图；

图6为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1工作时序图；

图7为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2工作时序图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照图1-5，本发明提出的一种使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路由两种模式组成，模式1为：占空比D<0.5时三电平降压转换器飞行电容电压平衡电路；模式2为：占空比D>0.5时三电平降压转换器飞行电容电压平衡电路。

当占空比D<0.5，进入模式1状态，如图1(a)所示。此时电路由四个功率管M

模式1状态一个完整周期共分为四个工作阶段，如图2所示，分别为：φ

当占空比D>0.5，进入模式2状态，如图1(b)所示。此时电路由四个功率管M

模式2状态一个完整周期共分为四个工作阶段，如图4所示，分别为：φ

参照图1-7，本发明提出的飞行电容平衡电路的具体实施如下：根据三电平降压转换器在占空比D<0.5和D>0.5模式下的基本工作原理，通过三电平DC-DC电路中四个功率管的栅极电压大小V

当三电平降压转换器的占空比D<0.5时，在φ

当三电平降压转换器的占空比D>0.5时，在φ

电荷共享公式：

其中C