CN111799994A - 功率变换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种功率变换器，包括多个电路模块，每个电路模块的输入端口和输出端口并联，该功率变换器在实现高电压变换比的同时，减小了输入电流和输出电流纹波，从而减小了输入电容和输出电容的体积，进一步减小功率变换器的体积。

Description

功率变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种功率变换器。
背景技术
随着社会的不断发展，高增益的功率变换器成为能源利用中不可或缺的组成部分。为了减小输出电流的纹波从而减小所需的输出电容，现有技术中采用输出侧交错并联的方式，但是由于其输入电流纹波较大且不连续，仍需要很大的输入电容。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率变换器，以在实现高电压变换比的同时，减小输入电流和输出电流纹波，从而减小了输入电容和输出电容的体积，进一步减小功率变换器的体积。
根据本发明的第一方面，提出了一种功率变换器，包括：
多个电路模块，每个电路模块的第一端口相互并联且第二端口相互并联，其中每个所述电路模块包括：开关型功率级电路，包括第一磁性元件，连接在所述开关型功率级电路的开关节点和所述第二端口的第一端；至少一个开关组，连接在所述第一端口的第一端和所述开关型功率级电路的第一端之间，且每个开关组包括串联的第一和第二晶体管；以及至少一个第一储能电容，以向所述功率变换器的负载提供能量，
以及多个第二储能电容，以周期性地储能并释放能量给对应的第一储能电容。
具体地，每个所述第一储能电容分别连接在不同的所述开关组的第一类型节点和参考地之间，其中所述参考地为所述第一和第二端口的第二端。
具体地，每个第二储能电容的第一端分别连接至不同的所述开关组的中间节点，第二端连接至当前电路模块或另一电路模块的开关型功率级电路的开关节点。
具体地，在每个电路模块中，与第i个开关组的中间节点相连的第二储能电容的第二端连接至当前电路模块的另一电路模块中开关型功率级电路的开关节点，i为奇数，其中第一个开关组与所述开关型功率级电路的第一端相连。
具体地，在每个电路模块中，与第j个开关组的中间节点相连的第二储能电容的第二端耦接至当前电路模块中开关型功率级电路的开关节点，其中j为偶数，其中第一个开关组与所述开关型功率级电路的第一端相连。
具体地，每个开关组对应一个第一储能电容和一个第二储能电容。
具体地，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压和至少一个所述第一储能电容同时向当前电路模块的负载提供能量。
具体地，当每个电路模块中所述开关组为一个时，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压和所述第一储能电容同时向当前电路模块的负载提供能量。
具体地，当每个电路模块中所述开关组为多个时，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压、当前电路模块中的部分第一储能电容以及另一电路模块中的部分第一储能电容同时向负载提供能量。
具体地，与同一开关型功率级电路的开关节点相连的所述第二储能电容，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段储能，并在第二工作阶段释放能量给相应的第一储能电容。
具体地，所述对应的第一储能电容为经过一所述第二晶体管与所述第二储能电容的第一端相连的第一储能电容。
具体地，每个所述开关型功率级电路还包括：
串联连接在所述开关型功率级电路的第一端和参考地之间的第三和第四晶体管，其中所述第三和第四晶体管的中间节点为所述开关节点。
具体地，与同一开关型功率级电路的开关节点相连的所述第二储能电容，其第一端连接的第一晶体管对应的驱动信号与所述同一开关型功率级电路的第三晶体管的驱动信号相同。
具体地，每个电路模块中所述第三晶体管的驱动信号相同。
具体地，每个电路模块中的所述第三晶体管的驱动信号依次错开预设相位且具有相同的周期和占空比。
具体地，所述预设相位为360°/N，其中N为所述电路模块的个数。
具体地，每个开关组中第一和第二晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，每个开关型功率级电路中所述第三和第四晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，且所述每个开关组中第二晶体管的导通时间不大于对应的第四晶体管的导通时间。
具体地，所述第一端口和第二端口还分别并联一滤波电容。
具体地，所述第一端口为所述功率变换器的输入端口和输出端口的其中一个，所述第二端口为所述输入端口和输出端口中的另一个。
具体地，所述功率变换器的输出电压与输入电压之比为D/N，其中D为所述开关型功率级电路的占空比，N为所述电路模块的个数。
具体地，所述第四晶体管替换为二极管。
综上所述，本发明的功率变换器在实现高电压变换比的同时，减小了输入电流和输出电流纹波，从而减小了输入电容和输出电容的体积，进一步减小功率变换器的体积。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例的第一种功率变换器的电路图；
图2为本发明实施例的第一种功率变换器的工作波形图；
图3为本发明实施例的第二种功率变换器的电路图；以及
图4为本发明实施例的第三种功率变换器的电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。Δi
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为本发明实施例的第一种功率变换器的电路图。如图1所示，以功率变换器包括两个电路模块为例进行说明。电路模块1的第一端口和电路模块2的第一端口并联以作为功率变换器的第一端口接收输入电压Vin，同时功率变换器的第一端和参考地之间连接一滤波电容，在此为输入电容Cin。电路模块1的第二端口和电路模块2的第二端口并联作为功率变换器的第二端口产生输出电压Vout，同时功率变换器的第二端和参考地之间连接一滤波电容，在此为输出电容Cout。电路模块1包括一开关型功率级电路，其包括第一磁性元件，连接在开关型功率级电路的开关节点SW1和功率变换器第二端口的第一端o之间，在此第一磁性元件为电感Lo1；以及一个开关组，连接在第一端口的第一端i和开关型功率级电路的第一端(在此为开关型功率级电路的输入端)之间，其中开关组包括串联的第一晶体管Qm1和第二晶体管Qs1。电路模块1还包括第一储能电容Ci1，以作为电源向功率变换器的负载提供能量。具体地，第一储能电容Ci1连接在开关组的第一类型节点p1和参考地之间，其中第一类型节点p1为开关组的末端，在此为开关组与开关型功率级电路的公共连接点。当每一电路模块中开关组为多个时，第一类型节点也可以是不同开关组的公共连接点。
此外，开关型功率级电路包括第三晶体管Q1和第四晶体管Qsr1，连接在开关型功率级电路的第一端p1与参考地之间。在本实施例中，第三和第四晶体管、电感Lo1以及输出电容Cout一起构成了buck电路(当第一端口为输出端口，第二端口为输入端口时，开关型功率级电路为boost电路)。应理解，在此第四晶体管也可以替换为二极管。当然，开关型功率级电路还可以为其他包括第三和第四晶体管以及第一磁性元件的开关型功率级电路。
同样，电路模块2包括一开关型功率级电路，其包括第一磁性元件，连接在开关型功率级电路的开关节点SW2和第二端口的第一端o之间，在此第一磁性元件为电感Lo2；以及一个开关组，连接在第一端口的第一端i和开关型功率级电路的第一端(在此为开关型功率级电路的输入端)之间，其中开关组包括串联的第一晶体管Qm2和第二晶体管Qs2。电路模块2还包括第一储能电容Ci2，以作为电源向负载提供能量。该第一储能电容Ci2连接在开关组的第一类型节点p2和参考地之间。此外，开关型功率级电路包括第三晶体管Q2和第四晶体管Qsr2。同样，第三和第四晶体管与电感Lo2以及输出电容Co一起构成了buck电路(当第一端口为输出端口，第二端口为输入端口时，为boost电路)。应理解，在此第四晶体管也可以替换为二极管。
此外，功率变换器还包括两个第二储能电容Cf1和Cf2。具体地，第二储能电容Cf1的第一端与电路模块1中开关组的中间节点o1(即晶体管Qm1和Qs1的公共连接点)相连，第二端连接至电路模块2的开关型功率级电路的开关节点SW2。第二储能电容Cf2的第一端与电路模块2中开关组的中间节点o2(即晶体管Qm2和Qs2的公共连接点)相连，第二端连接至电路模块1的开关型功率级电路的开关节点SW1。
在本实施例中，第二储能电容Cf1周期性地储能并释放能量给第一储能电容Ci1，第二储能电容Cf2周期性地储能并释放能量给第一储能电容Ci2。
在本实施例中，电路模块1和2中开关型功率级电路的第三晶体管Q1和Q2的驱动信号分别为G1和G2，第四晶体管Qsr1和Qsr2的驱动信号分别为Gsr1和Gsr2。同时，由于第二储能电容Cf2与电路模块1中开关型功率级电路的开关节点SW1相连，因此第二储能电容Cf2的第一端连接的第一晶体管Qm2的驱动信号与电路模块1中第三晶体管Q1的驱动信号相同，也为G1。同理，由于第二储能电容Cf1与电路模块2中开关型功率级电路的开关节点SW2相连，因此第二储能电容Cf1的第一端相连的第一晶体管Qm1的驱动信号与电路模块2中第三晶体管Q2相同，为G2。
此外，每个开关型功率级电路中第三和第四晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，优选地，两者互补。同时，开关组中第二晶体管的导通时间不大于对应的第四晶体管的导通时间，且每个开关组中第一和第二晶体管的驱动信号在时间上互不重叠。具体地，第二晶体管Qs2的驱动信号Gsr1’的脉宽在第四晶体管Qsr1的驱动信号Gsr1的脉宽之内，第二晶体管Qs1的驱动信号Gsr2’的脉宽在第四晶体管Qsr2的驱动信号Gsr2的脉宽之内。优选地，驱动信号Gsr1’与驱动信号Gsr1相同，驱动信号Gsr2’与驱动信号Gsr2相同。
对于本发明的功率变换器有不同的控制方式。第一种是同相控制，即第三晶体管Q1和Q2的驱动信号G1和G2相同。在这种控制方式下，在同一工作阶段内，每个电路模块输入端流过的电流相同，可以减小晶体管的电流应力，但对功率变换器的输入电流Iin的纹波没有抑制作用，因此不再此详细描述。第二种是错相控制，即驱动信号G1和G2的周期和占空比相同，相位错开一定的角度进行控制，优选的，相位错开的角度，即错相角度为180°。在这种控制方式下，每个电路模块输入端的电流交错出现，由此可以减小功率变换器的输入电流Iin的纹波，且使输入电流Iin更加连续，从而减小输入电容Cin的体积。
图2给出了本发明实施例的第一种功率变换器的工作波形图。如图2所示，从上至下分别为驱动信号G1、G2、Gsr1、Gsr1＇、Gsr2和Gsr2＇，电感电流iL1和iL2以及输入电流Iin。以错相控制为例，从图中可以看出，驱动信号G1和驱动信号G2的周期和占空比D均相同，驱动信号G1超前驱动信号G2预设角度α，在此α＝180°。第四晶体管Qsr1的驱动信号Gsr1与第三晶体管Q1的驱动信号G1互补，且与第二晶体管Qs2的驱动信号Gsr1＇相等。第四晶体管Qsr2的驱动信号Gsr2与第三晶体管Q2的驱动信号G2互补，且与第二晶体管Qs1的驱动信号Gsr2＇相等。由此，本实施例的功率变换器通过调节占空比D以调节输出电压Vout的大小并维持输出电压Vout的稳定。
下面结合波形图，具体说明其工作原理。在t0-t1阶段，驱动信号G1有效，晶体管Q1和Qm2导通，晶体管Qsr1和Qs2关断。第一储能电容Ci1作为电源通过开关型功率级电路为负载供电；同时，输入电压Vin通过晶体管Qm2给第二储能电容Cf2储能，并向负载供电。在本阶段中，电感电流iL1上升，晶体管Qm2相当于与晶体管Q1并联组成了buck电路的主管，则晶体管Qm2与晶体管Q1基本上同时各承担一半的电感电流iL1，因此输入电流Iin的纹波得到了减小。同时，晶体管Qsr2和Qs1维持导通，电感电流iL2继续减小，同时第二储能电容Cf1经晶体管Qs1释放能量给第一储能电容Ci1充电。在此阶段中，电路模块1处于第一工作阶段，电路模块2处于第二工作阶段。
在t1-t2阶段，驱动信号G1跳变为无效，驱动信号Gsr1和Gsr1＇有效，从而晶体管Qsr1和Qs2导通，电感电流iL1开始续流减小，同时第二储能电容Cf2经晶体管Qs2释放能量给第一储能电容Ci2充电。同时，晶体管Qsr2和Qs1维持导通，电感电流iL2继续减小，同时第二储能电容Cf1经晶体管Qs1释放能量给第一储能电容Ci1充电。由于晶体管Qm2和Qm1都关断，输入电流Iin在此阶段为零。在此阶段中，电路模块1和电路模块2均处于第二工作阶段。
在t2-t3阶段，驱动信号G2跳变为有效，晶体管Qm1和Q2导通，晶体管Qsr2和Qs1关断。第一储能电容Ci2作为电源通过开关型功率级电路为负载供电，同时，输入电压Vin通过晶体管Qm1给第二储能电容Cf1储能，并向负载供电。在本阶段中，电感电流iL2上升，晶体管Qm1相当于与晶体管Q2并联作为buck变换器的主管，则晶体管Qm1与晶体管Q2基本上同时各承担一半的电感电流iL2，从而使得输入电流Iin的纹波得到了减小。同时，由于晶体管Qsr1和Qs2保持导通，因此电感电流iL1仍继续下降，同时第二储能电容Cf2经晶体管Qs2释放能量给第一储能电容Ci2充电。在此阶段中，电路模块1处于第二工作阶段，电路模块2处于第一工作阶段。
在t3-t4阶段，驱动信号G2无效，驱动信号Gsr2和Gsr2＇有效。因此，晶体管Qm1和Q2关断，晶体管Qsr2和Qs1导通。电感电流iL2开始续流减小，同时第二储能电容Cf1经晶体管Qs1释放能量给第一储能电容Ci1充电。此时由于晶体管Qm2和Qm1都关断，输入电流Iin在此阶段为零。同时，晶体管Qsr1和Qs2保持导通，因此电感电流iL1仍继续下降，同时第二储能电容Cf2经晶体管Qs2释放能量给第一储能电容Ci2充电，直至驱动信号G1有效。在此阶段中，电路模块1和电路模块2均处于第二工作阶段。此后，功率变换器周期性重复上述过程工作。
综上所述，当每个电路模块中的开关组为一个时，在每个开关型功率级电路的第一工作阶段(即电感电流上升的阶段)，输入电压Vin和电路模块中第一储能电容同时向当前电路模块的负载提供能量。与同一开关型功率级电路的开关节点相连的第二储能电容在该开关型功率级电路的第一工作阶段储能，并在第二工作阶段释放能量给对应的第一储能电容。所述对应的第一储能电容为经过一第二晶体管与第二储能电容的第一端相连的第一储能电容。
在上述工作过程中，根据开关型功率级电路的电感伏秒平衡，可以得到：
(Vin-Vcf2)×D＝Vout (1)
Vci1×D＝Vout (2)
(Vin-Vcf1)×D＝Vout (3)
Vci2×D＝Vout (4)
其中Vci1为第一储能电容Ci1上的电压，Vci2为第一储能电容Ci2上的电压，Vcf1为第二储能电容Cf1上的电压，Vcf2为第二储能电容Cf2上的电压。
同时，根据第二储能电容释放能量给第一储能电容充电的回路可知，
Vcf1＝Vci1 (5)
Vcf2＝Vci2 (6)
综合上式可以得到：Vout/Vin＝D/2。
此外，输入电流Iin为流过晶体管Qm1和Qm2的电流之和，从图2中也可以看出，输入电流Iin在每个开关型功率级电路的第一工作阶段基本上等于电感电流的1/2，因此与输入侧仅有一个晶体管(输入电流的纹波等于电感电流的纹波)相比，在同样的输入电流平均值条件下，采用本发明实施例的功率变换器，输入电流Iin的纹波比电感电流的纹波减少了，且输入电流Iin纹波的频率为开关频率的2倍，从而使得输入电流更加连续，因此输入电容Cin得以减小。
图3为本发明实施例的第二种功率变换器的电路图。在本实施例中，功率变换器中并联的电路模块为N个，N为大于1的整数。同样，功率变换器具有第一端口和第二端口，其中第一端口和第二端口的第二端与参考地相连。在此以第一端口为输入端口，第二端口为输出端口为例进行说明，当然，本领域人员可以理解，也可以将第二端口作为输入端口，第一端口作为输出端口。每个电路模块均包括一开关型功率级电路，其包括第一磁性元件，在此为电感Loj(j＝1、2、…、N)，分别连接在开关节点SWj和输出端口的第一端o之间；以及一个开关组，连接在第一端口的第一端i和开关型功率级电路的第一端(在此为开关型功率级电路的输入端)之间，其中开关组包括串联的第一晶体管Qmj和第二晶体管Qsj。
每个电路模块还包括第一储能电容Cij，以在第一工作阶段向功率变换器的负载提供能量。具体地，第一储能电容Cij连接在开关组的第一类型节点pi和参考地之间。其中，第一类型节点pi为开关组的末端，在此也为开关组与开关型功率级电路的第一端的公共连接点。此外，开关型功率级电路还包括第三晶体管Qj和第四晶体管Qsrj，串联连接在开关型功率级电路的第一端pi与参考地之间，其中第三和第四晶体管的公共连接点为开关节点SWj。在本实施例中，第三和第四晶体管、电感以及输出电容Co一起构成了buck电路(当第一端口为输出端口，第二端口为输入端口时，为boost电路)。应理解，第四晶体管也可以替换为二极管。当然功率级电路还可以为其他包括第三和第四晶体管以及第一磁性元件的开关型功率级电路。
此外，功率变换器还包括N个第二储能电容Cfj，每个第二储能电容Cfj周期性地储能并释放能量给对应的第一储能电容Cij。由于在本实施例中，每个电路模块仅包括一个开关组，因此每个第二储能电容Cf(j+1)的第一端连接至当前电路模块(j+1)中开关组的中间节点o(j+1)，第二端连接至上一个电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj，其中j＝1、2、3、…、N-1。特别地，第二储能电容Cf1的第一端连接在当前电路模块1的开关组的中间节点o1，第二端连接至电路模块N中功率级电路的开关节点SWN，也即，电路模块1的上一个电路模块为电路模块N。应理解，为了便于描述，此处j可取1至(N-1)，若无特殊说明，j仍可取1至N，若有，则按照特殊说明。
在本实施例中，同样，可以采用不同的控制方式。第一种控制方式为同相控制，即所有的电路模块中开关型功率级电路的第三晶体管Qj的驱动信号均相同，且与所有电路模块中开关组的第一晶体管Qmj的驱动信号也相同。第二种控制方式为错相控制，即电路模块j中开关型功率级电路的第三晶体管Qj的驱动信号依次错开预设相位导通，该预设相位优选为360°/N。当然，本领域普通技术人员也可以将上面两种控制方式相结合，部分开关型功率级电路的第三晶体管的驱动信号相同，部分第三晶体管的驱动信号错开，在此不作详细描述。
同时，对于连接至同一电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj的第二储能电容Cf(j+1)，其第一端连接的第一晶体管Qm(j+1)的驱动信号与同一电路模块j中第三晶体管Qj的驱动信号相同，为Gj，其中j＝1、2、3、…、N-1。特别地，连接至电路模块N的第二储能电容为Cf1，其第一端相连的第一晶体管Qm1的驱动信号与电路模块N中第三晶体管QN的驱动信号相同。此外，每个开关型功率级电路中第三晶体管和第四晶体管的驱动信号互补。在所有N个电路模块里，每个开关组中两个晶体管不会同时导通，且第二晶体管Qsj的驱动信号Gsrj’的脉宽需在对应的第四晶体管Qsrj的驱动信号Gsrj的脉宽之内，使得第二晶体管Qsj的导通时间不大于对应的第四晶体管Qsrj的导通时间，优选地，两者相等。
本实施例的功率变换器的工作过程与上述包括两个电路模块的功率变换器相同。当电路模块j中开关型功率级电路的第三晶体管Qj导通时，即处于第一工作阶段，电路模块j中的第一储能电容Cij向负载提供能量，同时输入电压Vin通过下一个电路模块(j+1)中第一晶体管Qm(j+1)向与电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj连接的第二储能电容Cf(j+1)提供能量，并为负载供电，其中j＝1、2、3、…、N-1。特别地，当第三晶体管QN导通时，电路模块N中的第一储能电容CiN向负载提供能量，同时输入电压Vin通过电路模块1(即电路模块N的下一个电路模块为电路模块1)中第一晶体管Qm1向与电路模块N的开关节点SWN连接的第二储能电容Cf1提供能量，并为负载供电。当电路模块q中开关型功率级电路的第三晶体管Qj关断时，即处于第二工作阶段，与电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj相连的第二储能电容Cf(j+1)释放能量以给对应的第一储能电容Ci(j+1)提供能量，其中j＝1、2、3、…、N-1。特别地，与电路模块N中开关型功率级电路的开关节点SWN相连的第二储能电容Cf1释放能量以给电路模块1中第一储能电容Ci1提供能量。具体工作过程可以通过上述第一种功率变换器推导得到，在此不作详细描述。
根据开关型功率级电路的电感伏秒平衡最终可以得到输出电压Vout与输入电压Vin的变比仍为D/2。同时，由于该功率变换器有N个电路模块，因此，在输入电流平均值相同的情况下，输入电流Iin的纹波随着电路模块个数的增加而越来越小，且输入电流Iin更加连续，大大减小了所需的输入电容Cin，从而减小了功率变换器的体积。
图4给出了本发明实施例的第三种功率变换器的电路图。通过上述第二种功率变换器可知，仅扩展电路模块的个数，并不能改变电压变比，因此为实现更高的电压比，将图3中的功率变换器进一步扩展，使得每个电路模块包括多个开关组和一个开关型功率级电路。如图4所示，以每个电路模块包括2个开关组为例进行说明。同样，在本实施例中，功率变换器的第一端口为输入端口，第二端口为输出端口。本领域技术人员可以理解，功率变换器的第一端口也可为输出端口，第二端口为输入端口。
在本实施例中，电路模块j包括一开关型功率级电路、两个开关组(第一和第二开关组)以及第一储能电容Cij和Ci1j。开关型功率级电路包括第一磁性元件Loj，连接在开关节点SWj和输出端口的第一端o之间；以及第三晶体管Qj和第四晶体管Qsrj，驱动信号分别为Gj和Gsrj。同样，第三晶体管Qj和第四晶体管Qsrj分别和第一磁性元件Loj构成了buck电路(当第二端口为输入端口时，构成boost电路)。第一和第二开关组串联连接在功率变换器的第一端口的第一端i和开关型功率级电路的第一端之间，其中第一开关组包括第一晶体管Qmj和第二晶体管Qsj，第二开关组包括第一晶体管Qm1j和第二晶体管Qs1j。每个第一储能电容分别连接在不同的开关组的第一类型节点和参考地之间。具体地，第一储能电容Cij连接在第一开关组的第一类型节点pi(即第一开关组的末端，在此为第一开关组和开关型功率级电路的第一端的公共连接点)与参考地之间。第一储能电容Ci1j连接在第二开关组的第一类型节点ri(即第二开关组的末端，在此为第二开关组和第一开关组的公共连接点)和参考地之间。
功率变换器还包括2N个第二储能电容Cfj和Cf1j，每个第二储能电容的第一端分别连接至不同的开关组的中间节点，第二端连接至当前电路模块或上一个电路模块的开关型功率级电路的开关节点。
具体地，第二储能电容Cf(j+1)的第一端连接至当前电路模块(j+1)中第一开关组的中间节点o(j+1)，第二储能电容Cf(j+1)的第二端连接至上一个电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj，其中j＝1、2、3、…、N-1。特别的，第二储能电容Cf1的第一端连接至电路模块1中第一开关组的中间节点o1，第二端连接至电路模块N的开关型功率级电路的开关节点SWN，即电路模块1的上一个电路模块为电路模块N。
第二储能电容Cf1j的第一端连接至当前电路模块j中第二开关组的中间节点zj，第二储能电容Cf1j的第二端连接至当前电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj，其中j＝1、2、3、…、N。
应理解，若电路模块(j+1)中再增加一个开关组，则增加的第二储能电容连接在所增加的开关组的中间节点与上一个电路模块j中开关型功率级电路的开关节点SWj之间。即，每增加一个开关组，均会增加一个第一储能电容，连接在新增的开关组的第一类型节点和参考地之间，以及一个第二储能电容，与前一个第二储能电容交替耦接至上一个电路模块或当前电路模块。因此，若开关组为M个，则第一储能电容为M×N个，第二储能电容也为M×N个。即每个开关组对应一个第一储能电容，并且每个开关组对应一个第二储能电容。
从图中可知，与电路模块j的开关型功率级电路的开关节点SWj相连为第二储能电容Cf(j+1)和Cf1j，其中第二储能电容Cf(j+1)的第一端连接的第一晶体管Qm(j+1)和第二储能电容Cf1j的第一端连接的第一晶体管Qm1j的驱动信号与当前电路模块j的第三晶体管Qj的驱动信号相同，为Gj，其中j＝1、2、…、N-1。特别地，与电路模块N的开关型功率级电路的开关节点SWN相连的第二储能电容为Cf1和Cf1N，其第一端相连的第一晶体管Qm1和Qm1N的驱动信号与第三晶体管QN的驱动信号相同，均为GN。
同样，每个开关组中两个晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，并且，每个开关型功率级电路中第三晶体管和第四晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，优选地，两者互补。同时，对于驱动信号同为Gj的第一晶体管，其连接的第二晶体管的驱动信号Gsrj’的脉宽在驱动信号Gsrj的脉宽之内，其中驱动信号同为Gj的第三晶体管相连的第四晶体管的驱动信号为Gsrj，从而使得第二晶体管的导通时间不大于对应的第四晶体管。如上所述，该功率变换器也可以有不同的控制方式，同相控制、错相控制或者部分错相控制。在此不再详细描述。
在本实施例中，由于开关组为多个，在电路模块j中开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压Vin、电路模块j中的部分第一储能电容(i.e.,Cij)以及下一个电路模块(j+1)中的部分第一储能电容(i.e.,Ci1(j+1))同时向负载提供能量，其中j＝1、2、…、N-1。
与同一开关型功率级电路的开关节点SWj相连的第二储能电容Cf(j+1)和Cf1j在该开关型功率级电路的第一工作阶段储能，并在第二工作阶段释放能量给对应的第一储能电容Ci(j+1)和Ci1j。其中与第二储能电容Cf(j+1)对应的第一储能电容Ci(j+1)经过第二晶体管Qs(j+1)与第二储能电容Cf(j+1)的第一端相连，与第二储能电容Cf1j对应的第一储能电容Ci1j经过第二晶体管Qs1j与第二储能电容Cf1j的第一端相连。
以电路模块1为例，简单描述其工作原理。当驱动信号G1有效时，晶体管Q1、Qm2和Qm11导通，由此产生了三条流入开关节点SW1的通路。第一条通路为第一储能电容Ci1-Q1-SW1，并与第一磁性元件Lo1构成开关型功率级电路，即当前电路模块中的第一储能电容Ci1作为电源向负载提供能量。第二条通路为Ci12-Qm2-Cf2-SW1，即下一电路模块中第一储能电容Ci12作为电源向负载提供能量并同时给第二储能电容Cf2储能；第三条通路为Vin-Qm11-Cf11-SW1，其中输入电压Vin向负载提供能量并同时给第二储能电容Cf11储能。
当驱动信号G1无效时，驱动信号Gsr1和Gsr1＇有效，晶体管Qsr1、Qs2和Qs11导通，电感Lo1经晶体管Qsr1续流，第二储能电容Cf2经晶体管Qs2给第一储能电容Ci2储能，从而使得第一储能电容Ci2在驱动信号G2有效时作为电源向负载供电，同时第二储能电容Cf11经晶体管Qs11给第一储能电容Ci11储能，以在下一次驱动信号GN有效时，该第一储能电容Ci11作为电源给负载供电。其他电路模块的工作原理与之相同，在此不再阐述。
在上述工作过程中，根据电感伏秒平衡原则可以推导出Vout/Vin＝D/N，由此可以实现更高的电压变比，以满足不同的需求。同时多个电路模块的输入和输出端口相互并联，减小了输入电流和输出电流的纹波，从而减小了输入电容和输出电容的体积，进而减小了功率变换器的体积。
需要说明的是，本发明所述的上一个模块，下一个模块和当前模块，仅用于表示命名的顺序，以便于说明阐述，特此进行说明。同时，本发明以开关型功率级电路为buck电路为例阐释了本发明提出的功率变换器的工作原理，应理解，当输入和输出端口对调时，开关型功率级电路为boost电路，其对应的工作原理与buck相似，本领域普通技术人员可以根据上述内容推导出其对应的工作原理，在此不作说明。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种功率变换器，其特征在于，包括：
多个电路模块，每个电路模块的第一端口相互并联且第二端口相互并联，其中每个所述电路模块包括：开关型功率级电路，包括第一磁性元件，连接在所述开关型功率级电路的开关节点和所述第二端口的第一端；至少一个开关组，连接在所述第一端口的第一端和所述开关型功率级电路的第一端之间，且每个开关组包括串联的第一和第二晶体管；以及至少一个第一储能电容，以向所述功率变换器的负载提供能量，
以及多个第二储能电容，以周期性地储能并释放能量给对应的第一储能电容。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，每个所述第一储能电容分别连接在不同的所述开关组的第一类型节点和参考地之间，其中所述参考地为所述第一和第二端口的第二端。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，每个第二储能电容的第一端分别连接至不同的所述开关组的中间节点，第二端连接至当前电路模块或另一电路模块的开关型功率级电路的开关节点。
4.根据权利要求3所述的功率变换器，其特征在于，在每个电路模块中，与第i个开关组的中间节点相连的第二储能电容的第二端连接至当前电路模块的另一电路模块中开关型功率级电路的开关节点，i为奇数，其中第一个开关组与所述开关型功率级电路的第一端相连。
5.根据权利要求3所述的功率变换器，其特征在于，在每个电路模块中，与第j个开关组的中间节点相连的第二储能电容的第二端耦接至当前电路模块中开关型功率级电路的开关节点，其中j为偶数，其中第一个开关组与所述开关型功率级电路的第一端相连。
6.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，每个开关组对应一个第一储能电容和一个第二储能电容。
7.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压和至少一个所述第一储能电容同时向当前电路模块的负载提供能量。
8.根据权利要求7所述的功率变换器，其特征在于，当每个电路模块中所述开关组为一个时，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压和所述第一储能电容同时向当前电路模块的负载提供能量。
9.根据权利要求7所述的功率变换器，其特征在于，当每个电路模块中所述开关组为多个时，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段，输入电压、当前电路模块中的部分第一储能电容以及另一电路模块中的部分第一储能电容同时向负载提供能量。
10.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，与同一开关型功率级电路的开关节点相连的所述第二储能电容，在所述开关型功率级电路的第一工作阶段储能，并在第二工作阶段释放能量给相应的第一储能电容。
11.根据权利要求10所述的功率变换器，其特征在于，所述对应的第一储能电容为经过一所述第二晶体管与所述第二储能电容的第一端相连的第一储能电容。
12.根据权利要求2所述的功率变换器，其特征在于，每个所述开关型功率级电路还包括：
串联连接在所述开关型功率级电路的第一端和参考地之间的第三和第四晶体管，其中所述第三和第四晶体管的中间节点为所述开关节点。
13.根据权利要求12所述的功率变换器，其特征在于，与同一开关型功率级电路的开关节点相连的所述第二储能电容，其第一端连接的第一晶体管对应的驱动信号与所述同一开关型功率级电路的第三晶体管的驱动信号相同。
14.根据权利要求12所述的功率变换器，其特征在于，每个电路模块中所述第三晶体管的驱动信号相同。
15.根据权利要求12所述的功率变换器，其特征在于，每个电路模块中的所述第三晶体管的驱动信号依次错开预设相位且具有相同的周期和占空比。
16.根据权利要求15所述的功率变换器，其特征在于，所述预设相位为360°/N，其中N为所述电路模块的个数。
17.根据权利要求12所述的功率变换器，其特征在于，每个开关组中第一和第二晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，每个开关型功率级电路中所述第三和第四晶体管的驱动信号在时间上互不重叠，且所述每个开关组中第二晶体管的导通时间不大于对应的第四晶体管的导通时间。
18.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述第一端口和第二端口还分别并联一滤波电容。
19.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述第一端口为所述功率变换器的输入端口和输出端口的其中一个，所述第二端口为所述输入端口和输出端口中的另一个。
20.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述功率变换器的输出电压与输入电压之比为D/N，其中D为所述开关型功率级电路的占空比，N为所述电路模块的个数。
21.根据权利要求12所述的功率变换器，其特征在于，所述第四晶体管替换为二极管。
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