开关电容变换器组成原理及发展趋势

丘东元 张波

(华南理工大学电力学院, 广东省 广州市 510641)

Composing Principle and Development of Switched Capacitor Converters

Qiu Dongyuan, Zhang Bo

(College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510641)

ABSTRACT: Switched capacitor (SC) converters do not

require any inductor or transformer, only use capacitors as

energy storage components. With the advantages of small size,

lightweight, high efficiency and high power density, SC

converters are more popular in power electronic system. This

paper divided the existed SC converters into several kinds.

Based on the concept of basic SC cell, the composing principles

of each kind of SC converters have been proposed. Next, the

main control methods and new applications of SC converters

are introduced.

KEYWORDS: Switched capacitor (SC) converter, step-up,

step-down, inverting

摘要：开关电容变换器不含磁性元件，仅以电容作为储能元

件，有体积小，重量轻，效率高和功率密度大等优点，在电

力电子电路中的应用越来越广泛。本文对已有的开关电容变

换器进行了分析和归纳，从开关电容基本单元的概念出发，

剖析了各种开关电容变换器的组成原理，并阐述了开关电容

变换器的几种主要控制方法，最后介绍了开关电容变换器的

最新应用。本文对开关电容变换器的推广应用具有指导性的

意义。

关键词：开关电容变换器，升压，降压，反相

1. 引言

小型化是开关电源的发展趋势之一，而开关变换

器小型化的关键是减少磁性元件（电感或变压器）的

体积和重量。虽然软开关技术已将开关电源的开关工

作频率提高到几百kHz甚至MHz的级别，大大减小

了开关电源的体积，但是，进一步提高开关频率不仅

受到了器件特性的限制，而且磁性元件的体积无法做

到更小。因而减少磁性元件成为开关电源小型化的另

一有效的途径。

开关电容变换器是一种典型的无磁性元件变换

器，它由电容和一定数量的开关组成，电容为主要的

储能元件，通过开关控制电容的充放电时间，实现电

能变换，因此开关电容变换器符合开关电源小型化的

要求。开关电容变换器最早出现在上个世纪70年代

初，但受当时器件生产水平所限，没有得到重视。在

MOSFET和多层陶瓷电容成功推出市场后，开关电容变换器的实现成为可能，近十几年来得到了迅速的发

展[1,2]。

开关电容变换器具有体积小、重量轻、功率密度

高等优点，并且可以集成于一块半导体芯片上。基于

上述优点，开关电容变换器在小功率场合得到了一定

的应用。针对开关电容变换器存在的一些问题，研究

人员提出了很多新的拓扑及控制方法，为开关电容变

换器的发展带来广阔的空间[3-19]。为此，本文深入地

分析了各类开关电容变换器的组成原理，并介绍了开

关电容变换器的控制技术和一些新应用，为推广和发

展开关电容变换器提供参考。

2. 开关电容变换器的组成原理

经过近二十年的发展，开关电容变换器已日趋成

熟，所提出的结构型式多样。本文尝试从开关电容基

本单元出发，剖析一些主流开关电容变换器的构成方

法。

2.1 基本开关电容变换器

开关电容基本单元通常由两个开关器件（S1和S2）、两个二极管（D1和D2）和一个电容C组成，如图1(a)所示。按照不同的方式将开关电容基本单元的四个端子与输入电源、输出负载连接，可以得到不同类型的基本开关电容变换器[3]。 图1(b)为降压式开关电容变换器，开关电容基本

单元的a端与输入电源正极相连，b、d端均与输出正极

相连，c端接地。开关器件S1和S2轮流导通，当S1闭合

时，输入电压Vi向开关电容C充电；当S2闭合时，C向

负载放电。若S1和S2的占空比相等，均为0.5，忽略电

路中的损耗，/2oiVV=。

改变开关电容基本单元的端子接法，把a、c端与

输入正极相连，b端接地，d端接输出正极，可以得到

如图1(c)所示的升压式开关电容变换器。当S2闭合时，

输入电压Vi向C充电；当S1闭合时，输入电源和C同时

向负载供电。理想情况下，。类似地，若把c

端接负载，b、d端接地，那么可以得到反相式开关电2oVV=i

1

容变换器，如图1(d)所示，。 oiVV=−

ViS1S2D1

D2CVoab,d

cCo

（a）开关电容基本单元 （b）降压式

S1

S2C

bD2D1da,c

CoVoVi

S1

S2C

bD2

D1da

CoVoVic

（c）升压式 （d）反相式

图1 基本开关电容变换器

2.2 互补型开关电容变换器

为了减小输出电压的纹波，文献[4,5]提出了互补

型开关电容变换器结构，即把两个基本开关电容变换

器并联，两者交替运行，如图2所示。 以图2(a)中降压式互补型开关电容变换器为例，当输入电源向I组的开关电容C1充电时，II组的开关电容C2向负载放电；当C1向负载放电时，C2被充电。与图1(b)的降压式基本开关电容变换器相比，输出电容Co总是与其中一个开关电容并联，在电路参数相同的情况下，输入输出电压关系不变，而且降低了输出电压的纹波。 类似地，升压式互补型开关电容变换器如图2(b)所示[5]。 （a）降压式

（b）升压式 图2 互补型开关电容变换器

2.3 高阶开关电容变换器

若要得到更大的输入输出电压变比，必须改变电

路结构，下面介绍几种典型的高阶开关电容变换器。

A．降压

将几个电容和二极管用串并方式组合起来，得到

如图3所示的开关电容串并单元，它可以代替开关电

容基本单元中的电容，实现新的变换功能。一般情况

下构成开关电容串并单元的各个电容的电容值相等，

通常将单元中所含独立电容的个数定义为该单元的

阶，用n表示。 开关电容串并单元的工作原理如下：当外部给开关电容串并单元充电时，组成串并单元的各个电容相互串联；当开关电容串并单元放电时，组成串并单元

的各个电容相互并联，即“串联充电，并联放电”。如

果对开关电容串并单元的充电时间和放电时间分别大

于其充电时间常数和放电时间常数，那么利用开关电

容串并单元可以实现降压变换。

例如，将图1(b)中的电容用图3(b)的二阶开关电

容串并单元代替，可以得到图4(a)，其中/3oiVV=。

依此类推，如果采用n阶开关电容串并单元，那么可

以得到/(1)oiVVn=+。

(a) n=1 (b) n=2 (c) n=3

图3 开关电容串并单元 (a) n=2

(b) n=3

图4 高阶降压式开关电容变换器

2

B．升压

将几个基本升压开关电容变换器模块依次串联，

构成推挽式结构，便可得到高阶升压开关电容变换器，

有些文献称之为推挽式开关电容变换器[6, 7]。按照开关

数与开关电容数之间的关系，推挽式开关电容变换器

可分为以下三类：

第一种类型是开关个数与开关电容个数无关，除

了第一个基本升压模块外，其它个模块都没有开

关器件，所以整个变换器只含有2个开关。以1n−

3n=为

例，在图5(a)中，状态I：S12导通、S11截止，Vi向开关

电容C1充电，中间电容Co1向C2充电，Co2向C3充电，

Co3向负载供电。状态II：S12截止、S11导通，Vi和C1串

联后向Co1充电，Vi和C2串联向Co2充电，Vi和C3串联向

Co3和负载充电。忽略开关器件和二极管的压降时，

，当时，。 (1)oiVnV=+3n=4oVV=i

第二种类型是开关个数＝开关电容个数＋1，即除

了第n个基本升压模块外，前个基本升压模块中的S1n−

x2（1,2,,1xn=L−）用二极管Dx3代替。以3n=为

例，在图5(b)中，当S32导通（S11、S21、S31截止）时，

电路的工作过程与图5(a)的状态I相同。当S32截止（S11、

S21、S31导通）时，Vi和C1串联后向Co1充电，Co1和C2串

联向Co2充电，Co2和C3串联向Co3和负载充电。忽略开

关器件和二极管的压降时，，当2noiVV=⋅3n=时，

。 8oVV=i

V−=⋅⋅3n第三种类型是开关个数＝开关电容个数，即前

个模块的S2n−x2被Dx3代替，第个模块仍保留两

个开关器件，而第n个模块没有开关器件。在图5(b)

中，，S1n−

3n=22与S11、S21交替工作，忽略开关器件和

二极管的压降时，V，当(1)1.52noi=时，

。 6oiVV=

(a) 开关数＝

2

(b) 开关数＝开关电容数＋1

(c) 开关数＝开关电容数

图5 高阶升压式（推挽式）开关电容变换器（n=3）

C．反相

如果将图1(d)中基本反相式开关电容变换器的电

容用n阶开关电容串并单元代替，那么可以得到高阶反

相降压式开关电容变换器，此时[7]/oiVV=−n。

D．高阶互补型

文献[8,9]给出了高阶互补型开关电容变换器，即

将两组高阶开关电容变换器并联，并使它们交替工作，

如图6所示。

与图4(b)相比，图6(a)中每组降压变换器由一个

开关电容串并单元和两个开关器件组成，与图4相比，

少了二极管D1和D2。当开关电容串并单元阶数为n时，

变换器的输入输出电压关系为。 /oiVVn=

图6(b)中每组高阶升压变换器由若干个开关电容

基本单元首尾相连而成，b和c端分别连接在一起。当Sx2（1,2,,xn=L）导通时，开关电容并联充电；当Sx1导通时，开关电容串联向负载放电，即“并联充电，

串联放电”。当并联的基本开关电容单元个数为n时，

变换器的输入输出电压关系为。 (1)oiVnV=+

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