一种高变比非隔离DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及DC/DC变换器的技术领域，尤其是指一种高变比非隔离DC/DC变换器。

背景技术

目前，服务器电源普遍采用48V的中间总线架构，该48V由服务器主板上进行的功率变换而来，已经进行了电压隔离。现有的技术方案多采用两级电压变换的架构，中间先经过一次电压变换到12V，再进行一次电压变换到所需的3.3V、1.2V等低电压。若要实现仅一次电压变换就达到目标电压的目的，需要采用隔离型DC/DC变换器。隔离型DC/DC变换器需要额外使用变压器，增加了系统的体积与电能损耗，降低了效率与功率密度，而且前级电源已实现隔离，此处无隔离需要。无变压器的非隔离DC/DC变换器无法实现高变比，或者需要大量的开关管构成高级数的DC/DC变换器来实现高变比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种高变比非隔离DC/DC变换器，该变换器由N级变换单元构成，只包含电容、电感和开关管器件，无隔离变压器，减少了电能损耗，提高了电源效率，减少了磁性元件的使用，减小了电源体积提高了功率密度；与传统的开关谐振腔变换器相比，提高了输入电压与输出电压的变比，减小了体积与器件使用数量，采用3级变换单元即可实现40V到3.3V的电压变换，采用4级变换单元即可实现40V到1.2V的电压变换。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高变比非隔离DC/DC变换器，该变换器是由N级变换单元构成的N级变换器，其中N为大于或等于2的整数，第1级变换单元采用第一类基本变换单元，除第1级变换单元外的其它变换单元采用第一类基本变换单元或第二类基本变换单元，所述第一类基本变换单元与第二类基本变换单元均包含的部分有：

输入端口；

输出端口；

第一谐振腔，包含第一端以及第二端；

第二谐振腔，包含第一端以及第二端，该第二谐振腔的第一端电连接输出端口；

第一半桥电路，包含第一端、第二端以及中点，该第一半桥电路的第一端电连接输入端口，第二端电连接输出端口；

第二半桥电路，包含第一端、第二端以及中点，设第二半桥电路所处的变换单元为第i级变换单元，i为小于或等于N的正整数，则该第二半桥电路的第一端电连接N级变换器中的任意一级数等于i或小于i的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为j，即j≤i，该第二半桥电路的第二端电连接N级变换器中的任意一级数小于j的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为k，即k

其中，第一谐振腔的第一端电连接第一半桥电路的中点，第二端电连接第二半桥电路的中点；

第一类基本变换单元的第二谐振腔的第二端电连接一接地端口，第二类基本变换单元还包含：

第三半桥电路，包含第一端、第二端以及中点，该第三半桥电路的中点电连接第二类基本变换单元的第二谐振腔的第二端，设第三半桥电路所处的变换单元为第i级变换单元，则该第三半桥电路的第一端电连接N级变换器中的任意一级数小于i的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为m，即m

N级变换器中第1级变换单元的输出端口电连接负载的正极，除第1级变换单元外的其它变换单元的输出端口电连接低一级变换单元的输入端口，第N级变换单元的输入端口电连接电源的正极，其中负载的负极电平值、电源的负极电平值与接地端口的电平值相等。优选的，所述N级变换器的任意第二半桥电路的第一端与第二端以及任意第三半桥电路的第一端与第二端，满足上述数值关系j≤i、k3时，变比值为第N-1级实现的变比值至第2级实现的变比值的逐项累加，再加上第N-1级实现的变比值，再加3。

优选的，第2级变换单元至第N级变换单元均由第二类基本变换单元构成，任意一级变换单元的第二半桥电路的第二端与任意一级变换单元的第三半桥电路的第二端电连接一接地端口，第i级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第i级变换单元的输出端口，第i级变换单元的第三半桥电路的第一端电连接第i-1级变换单元的输出端口，通过上述逻辑电连接构成的电路，会达到最大变比值。

优选的，所述第一谐振腔由电感和电容构成，该电感与电容串联电连接。

优选的，所述第二谐振腔由电感和电容构成，该电感与电容串联电连接，或者仅由电容构成。

优选的，所述第一半桥电路由互补运行的第一开关管以及第二开关管构成，第一开关管的第一端电连接第二开关管的第二端以及第一半桥电路的中点，第一开关管的第二端电连接第一半桥电路的第二端，第二开关管的第一端电连接第一半桥电路的第一端；所述第二半桥电路由互补运行的第三开关管以及第四开关管构成，第三开关管的第一端电连接第四开关管的第二端以及第二半桥电路的中点，第三开关管的第二端电连接第二半桥电路的第二端，第四开关管的第一端电连接第二半桥电路的第一端；所述第三半桥电路由互补运行的第五开关管以及第六开关管构成，第五开关管的第一端电连接第六开关管的第二端以及第三半桥电路的中点，第五开关管的第二端电连接第三半桥电路的第二端，第六开关管的第一端电连接第三半桥电路的第一端。

优选的，第1级变换单元至第N级变换单元的所有第一开关管、所有第三开关管以及由第二类基本变换单元所构成的每一级变换单元的第六开关管是同时导通及同时关断，第1级变换单元至第N级变换单元的所有第二开关管、所有第四开关管以及由第二类基本变换单元所构成的每一级变换单元的第五开关管是同时导通及同时关断；不考虑死区时间的情况下，每个开关管的导通和关断的占空比为50％。

优选的，第1级变换单元至第N级变换单元中的每一级变换单元的所有开关管是变频或定频工作。

优选的，第一、二、三、四、五、六开关管为GAN器件、SIC器件、IGBT器件或者MOS器件。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

与传统的带变压器的隔离型DC/DC变换器相比，本发明去掉了变压器，只包含电容、电感和开关管器件，减小了电能损耗与磁元件的使用量，提高了变换器的效率，同时减小了变换器的体积，提高了功率密度；与现有的开关谐振腔变换器相比，本发明提高了输入电压与输出电压的变比，在采用同样级数变换单元的情况下，减小了开关器件与电感电容的使用数量，减小了电能损耗，提高了变换器的效率，降低了成本。

通过改变任意第二半桥电路的第一端与第二端以及任意第三半桥电路的第一端与第二端的连接方式，在满足数值关系j≤i、k

附图说明

图1为本实施例的第一类基本变换单元结构示意图。

图2为本实施例的第二类基本变换单元结构示意图。

图3为本实施例的谐振腔结构示意图。

图4为本实施例的半桥电路结构示意图。

图5为本实施例的当变换单元级数N取4时的一种电路连接具体实施例示意图。

图6为本实施例的当变换单元级数N取4时的达到最大电压变比值的一种电路连接具体实施例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例提供了一种高变比非隔离DC/DC变换器，该变换器是由N级变换单元构成的N级变换器，其中N为大于或等于2的整数，第1级变换单元采用第一类基本变换单元，除第1级变换单元外的其它变换单元采用第一类基本变换单元或第二类基本变换单元。

如图1所示，第一类基本变换单元包括：输入端口、输出端口、第一谐振腔、第二谐振腔、第一半桥电路、第二半桥电路、接地端口。第一半桥电路的第一端电连接输入端口，第一半桥电路的第二端电连接输出端口；第一谐振腔的第一端电连接第一半桥电路的中点，第一谐振腔的第二端电连接第二半桥电路的中点；第二谐振腔的第一端电连接输出端口，第二谐振腔的第二端电连接接地端口。

如图2所示，第二类基本变换单元包括：输入端口、输出端口、第一谐振腔、第二谐振腔、第一半桥电路、第二半桥电路、第三半桥电路。第一半桥电路的第一端电连接输入端口，第一半桥电路的第二端电连接输出端口；第一谐振腔的第一端电连接第一半桥电路的中点，第一谐振腔的第二端电连接第二半桥电路的中点；第二谐振腔的第一端电连接输出端口，第二谐振腔的第二端电连接第三半桥电路的中点。

如图3所示，谐振腔包含第一端以及第二端，由电感和电容构成，该电感与电容串联电连接；或者仅由电容构成。

如图4所示，半桥电路包含第一端、第二端以及中点，由互补运行的第一开关管以及第二开关管构成，开关管是变频或定频工作。

设某一第二半桥电路所处的该变换单元为第i级变换单元，i为小于或等于N的正整数，则该第二半桥电路的第一端电连接该N级变换器中的任意一级数等于i或小于i的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为j，即j≤i；该第二半桥电路的第二端电连接该N级变换器中的任意一级数小于j的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为k，即k

设某一第三半桥电路所处的该变换单元为第i级变换单元，则该第三半桥电路的第一端电连接该N级变换器中的任意一级数小于i的变换单元的输出端口，并记该输出端口所处的变换单元的级数为m，即m

N级变换器中第1级变换单元的输出端口电连接负载的正极，除第1级变换单元外的其它变换单元的输出端口电连接低一级变换单元的输入端口，第N级变换单元的输入端口电连接电源的正极，其中负载的负极电平值、电源的负极电平值与接地端口的电平值相等。

该N级变换器的任意第二半桥电路的第一端与第二端以及任意第三半桥电路的第一端与第二端，在满足数值关系j≤i、k

该N级变换器的输入电压与输出电压的最大变比值为与N相关的数列，设S(N)为该N级变换器的可达到的最大变比值，该数列满足如下规律：2级变换单元实现5倍变比，3级变换单元实现13倍变比，当N>3时，变比值为第N-1级实现的变比值至第2级实现的变比值的逐项累加，再加上第N-1级实现的变比值，再加3。

如图5、6所示的案例，第一半桥电路由互补运行的第一开关管Q1以及第二开关管Q2构成，第一开关管Q1的第一端电连接第二开关管Q2的第二端以及第一半桥电路的中点，第一开关管Q1的第二端电连接第一半桥电路的第二端，第二开关管Q2的第一端电连接第一半桥电路的第一端；第二半桥电路由互补运行的第三开关管Q3以及第四开关管Q4构成，第三开关管Q3的第一端电连接第四开关管Q4的第二端以及第二半桥电路的中点，第三开关管Q3的第二端电连接第二半桥电路的第二端，第四开关管Q4的第一端电连接第二半桥电路的第一端；第三半桥电路由互补运行的第五开关管Q5以及第六开关管Q6构成，第五开关管Q5的第一端电连接第六开关管Q6的第二端以及第三半桥电路的中点，第五开关管Q5的第二端电连接第三半桥电路的第二端，第六开关管Q6的第一端电连接第三半桥电路的第一端。所述的开关管为GAN器件、SIC器件、IGBT器件或者MOS器件。其中，第1级变换单元至第N级变换单元的所有第一开关管Q1、所有第三开关管Q3以及由第二类基本变换单元所构成的每一级变换单元的第六开关管Q6是同时导通及同时关断，第1级变换单元至第N级变换单元的所有第二开关管Q2、所有第四开关管Q4以及由第二类基本变换单元所构成的每一级变换单元的第五开关管Q5是同时导通及同时关断；不考虑死区时间的情况下，每个开关管的导通和关断的占空比为50％。第1级变换单元至第N级变换单元中的每一级变换单元的所有开关管是变频或定频工作。

如图5所示的案例，该4级变换单元的第2级变换单元至第4级变换单元均由第二类基本变换单元构成，第4级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第4级的变换单元的第二谐振腔的第一端，该第二半桥电路的第二端电连接第3级的变换单元的输出端口，该变换单元的第三半桥电路的第一端电连接第3级的变换单元的输出端口，该第三半桥电路的第二端电连接第2级的变换单元的输出端口；第3级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第3级的变换单元的第二谐振腔的第一端，该第二半桥电路的第二端电连接第2级的变换单元的输出端口，该变换单元的第三半桥电路的第一端电连接第2级的变换单元的输出端口，该第三半桥电路的第二端电连接第1级的变换单元的输出端口；第2级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第2级的变换单元的第二谐振腔的第一端，该第二半桥电路的第二端电连接第1级的变换单元的输出端口，该变换单元的第三半桥电路的第一端电连接第1级的变换单元的输出端口，该第三半桥电路的第二端电连接接地端口；第1级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第1级的变换单元的第二谐振腔的第一端，该第二半桥电路的第二端电连接接地端口。

如图6所示的案例，该4级变换单元的第2级变换单元至第4级变换单元均由第二类基本变换单元构成，任意一级变换单元的第二半桥电路的第二端与第三半桥电路的第二端电连接接地端口，第h级变换单元的第二半桥电路的第一端电连接第h级变换单元的输出端口，第h级变换单元的第三半桥电路的第一端电连接第h-1级变换单元的输出端口，通过该逻辑电连接构成的电路，达到最大电压变比值，h的取值为4,3,2。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、连接原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。