隔離型開關電容變換器的製作方法
2024-02-11 18:06:15 2
技術領域
本發明涉及電力電子技術，具體涉及一種隔離型開關電容變換器。
背景技術：
開關電容變換器通過開關控制電容的充電和放電從而實現電壓或電流變換。現有的開關電容變換器如圖1所示，輸入埠輸入輸入電壓Vin。開關Q1連接在電容C的端a和電壓輸入埠的第一端i之間，並在控制信號G1的控制下導通或關斷。開關Q2連接在電容C的端a和輸出埠的第一端之間，並在控制信號G2的控制下導通或關斷。其中，控制信號G1和G2互補，也即，控制信號G1為高電平時，控制信號G2為低電平。同時，電容C的端b與輸入埠的第二端以及輸出埠的第二端連接。輸入埠以及輸出埠的第二端通常會作為參考端(或稱為接地端)。在輸出埠還可以設置輸出電容Co以對輸出電壓Vout進行平滑。由此，通過開關Q1和Q2交替導通和關斷，從而使得電容C在間歇性地對輸出端放電，從而實現功率的傳遞和電壓/電流轉換。
但是，現有的開關電容變換器的架構中，輸入埠和輸出埠共地，同時，電容C間歇性地向輸出埠輸出電流，導致輸入電源和輸出電容上的不期望的電流脈動較大。
而現有的隔離型變換器需要使用線圈，其體積較大，無法應用於小型化的系統中。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供一種隔離型開關電容變換器，可以將輸入埠和輸出埠通過電容隔離，同時仍然保證開關電容變換器正常工作。
本發明實施例的隔離型開關電容變換器包括：
第一電容；
第一組開關，串聯在輸入埠的兩端之間，以選擇性地將第一電容的第一端連接到輸入埠的第一端或第二端；
第二組開關，串聯在輸出埠的兩端之間，以選擇性地將第一電容的第二端連接到輸出埠的第一端或第二端；以及，
第二電容，連接在輸入埠的任意一端和輸出埠的任意一端之間。
優選地，所述第一組開關和所述第二組開關受控導通或關斷以使得隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態間交替切換。
優選地，在第一狀態下，所述第一電容和所述第二電容串聯在輸入埠的兩端之間，在第二狀態下，所述第一電容和所述第二電容串聯在輸出埠的兩端之間。
優選地，所述第二電容連接在所述輸入埠的第一端和所述輸出埠的第二端之間，或者，所述第二電容連接在所述輸入埠的第二端和所述輸出埠的第一端之間。
優選地，在第一狀態下，所述第一電容和所述第二電容形成輸入埠對輸出埠供電的電流通路，在第二狀態下，所述第一電容和所述第二電容形成電荷均衡迴路.
優選地，所述第二電容連接在所述輸入埠的第一端和所述輸出埠的第一端之間，或者，所述第二電容連接在所述輸入埠的第二端和所述輸出埠的第二端之間。
優選地，所述隔離型開關電容變換器還包括：
第三電容，連接在輸入埠未與所述第二電容連接的一端和輸出埠未與所述第二電容連接的一端之間。
優選地，所述第一組開關包括：
第一開關，連接在輸入埠的第一端和所述第一電容的第一端之間；以及，
第二開關，連接在輸入埠的第二端和所述第一電容的第一端之間；
所述第二組開關包括：
第三開關，連接在輸出埠的第一端和第一電容的第二端之間；以及，
第四開關，連接在輸出埠的第二端和第一電容的第二端之間。
優選地，所述第一開關和第三開關根據第一控制信號導通和關斷，所述第二開關和第四開關根據第二控制信號導通和關斷，所述第一控制信號和所述第二控制信號互補。
優選地，所述隔離型開關電容變換器還包括：
第四電容；
第三組開關，串聯在輸入埠的兩端之間，以選擇性地將第四電容的第一端連接到輸入埠的第一端或第二端；以及，
第四組開關，串聯連接在輸出埠的兩端之間，以選擇性地將第四電容的第二端連接到輸出埠的第一端或第二端。
優選地，所述第一組開關、第二組開關、第三組開關和第四組開關受控導通或關斷以使得隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態間交替切換。
優選地，所述第一組開關包括：
第一開關，連接在輸入埠的第一端和所述第一電容的第一端之間；以及，
第二開關，連接在輸入埠的第二端和所述第一電容的第一端之間；
所述第二組開關包括：
第三開關，連接在輸出埠的第一端和所述第一電容的第二端之間；以及，
第四開關，連接在輸出埠的第二端和所述第一電容的第二端之間。
所述第三組開關包括：
第五開關，連接在輸入埠的第一端和所述第四電容的第一端之間；以及，
第六開關，連接在輸入埠的第二端和所述第四電容的第一端之間；
以及，所述第四組開關包括：
第七開關，連接在輸出埠的第一端和所述第四電容的第二端之間；以及，
第八開關，連接在輸出埠的第二端和所述第四電容的第二端之間。
優選地，所述第一開關、第三開關、第六開關和第八開關根據第一控制信號導通和關斷，所述第二開關、第四開關、第五開關和第七開關根據第二控制信號導通和關斷，所述第一控制信號和所述第二控制信號互補。
優選地，所述第一控制信號和所述第二控制信號互補並設置有死區。
優選地，所述第三開關和/或所述第四開關替換為二極體。
優選地，所述第三開關、第四開關、第七開關和第八開關中的至少一個替換為二極體。
通過設置串聯在輸入埠兩端之間的第一組開關和串聯在輸出埠兩端之間的第二組開關以及連接在兩組開關的中間端之間的第一電容和連接在輸入埠的任一端以及輸出埠的任一端之間的第二電容，可以有效地使得輸入埠和輸出埠隔離，同時，通過第一組開關和第二組開關的受控導通或關斷，控制第一電容以及第二電容進行充電和放電動作，實現功率變換。由此，可以在不使用變壓器的前提下實現輸入埠和輸出埠隔離，可以減小隔離型變換器體積，使得隔離型變換器適用於小型化的產品。
附圖說明
通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：
圖1是現有技術中的開關電容變換器的電路圖；
圖2是現有技術的開關電容變換器的控制信號的波形圖；
圖3是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖4是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器的控制信號的波形圖；
圖5是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖6是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖7是本發明第二實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖8是本發明第三實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖9是本發明第三實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖10是本發明第三實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖11是本發明第四實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖12是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖13是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器的控制信號的波形圖；
圖14是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖15是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖16是本發明第六實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖17是本發明第六實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖18是本發明第六實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖19是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖20是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器的控制信號的波形圖；
圖21是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖22是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖23是本發明第八實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖24是本發明第八實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下的等效電路圖；
圖25是本發明第八實施例的隔離型開關電容變換器在第二狀態下的等效電路圖；
圖26是本發明第九實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖27是本發明第十實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖；
圖28是本發明另一種實施方式的電路。
具體實施方式
以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。
此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。
同時，應當理解，在以下的描述中，「電路」是指由至少一個元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構成的導電迴路。當稱元件或電路「連接到」另一元件或稱元件/電路「連接在」兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件「直接耦接到」或「直接連接到」另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。
除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的「包括」、「包含」等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是「包括但不限於」的含義。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。
在圖3和圖4以及以下的描述中，以輸入埠的第一端為高壓端、第二端為參考端，且，輸出埠的第一端為高壓端、第二端為參考端為例進行說明。在以下的描述中，也按照上述設置方式來進行說明，但是本領域技術人員容易理解，本發明的技術方案並不限於此。電容C2實際上可以連接在輸入埠的任意一端和輸出埠的任意一端之間，通過設置控制信號G1-G4控制開關Q1-Q4導通和關斷，可以達到與第一實施例以及第二實施例相同或等同的效果。
圖3是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖3所示，在本實施例中，隔離型開關電容變換器1包括電容C1、電容C2、第一組開關Q1和Q2以及第二組開關Q3和Q4。其中，開關Q1和Q2串聯在輸入埠的兩端之間。開關Q3和Q4串聯在輸出埠的兩端之間。開關Q1-Q4分別由控制信號G1-G4控制。開關Q1和Q2的公共端與電容C1的一端a連接，開關Q3和Q4的公共端與電容C1的另一端b連接。具體地，開關Q1連接在輸入埠的第一端i和電容C1的第一端a之間。開關Q2連接在輸入埠的第二端和電容C1的第一端a之間。開關Q1和Q2受控導通或關斷以選擇性地將電容C1的第一端a連接到輸入埠的第一端i或第二端。開關Q1導通，開關Q2關斷時，可以使得電容C1的第一端a連接到輸入埠的第一端。開關Q1關斷，開關Q2導通時，可以使得電容C1的第一端連接到輸入埠的第二端。同樣，開關Q3連接在輸出埠的第一端o和電容C1的第二端b之間，開關Q4連接在輸出埠的第二端與電容C1的第二端b之間。開關Q3和Q4受控導通或關斷以選擇性地將電容C1的第二端b連接到輸出埠的第一端或第二端。開關Q3導通，開關Q4關斷時，可以使得電容C1的第二端b連接到輸出埠的第一端o。開關Q3關斷，開關Q4導通時，可以使得電容C1的第二端B連接到輸出埠的第二端。
在本發明實施例中開關Q1-Q4可以採用各種現有的電可控開關器件，例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、雙極結型電晶體(BJT)，或者，絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。
同時，電容C2連接在輸入埠的第二端和輸出埠的第一端o之間。
圖4是本發明第一實施例的控制信號的波形圖。在以下的描述中，所有的開關在對應控制信號為高電平時導通，在控制信號為低電平時關斷。根據圖4可知，控制信號G1和G3同相，控制信號G2和G4同相，同時，上述兩組控制信號相互反相(或稱互補)。也即，在控制信號G1和G3為高電平時，控制信號G2和G4為低電平；在控制信號G1和G3為低電平時，控制信號G2和G4為高電平。在本實施例中，優選將兩組控制信號的佔空比設置為50％，由此，使得隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態的時間相同。同時，通過調節控制信號的佔空比，可以調節輸出電壓或輸出電流。
優選地，兩組控制信號還可帶有一定的死區時間。死區時間是PWM輸出時，為了使H橋或半H橋的上下管不會因為開關速度問題發生同時導通而設置的一個保護時段。通常也指PWM響應時間。
由此，控制信號G1-G4分別控制開關Q1-Q4導通和關斷，使得隔離型開關電容變換器1在第一狀態和第二狀態間交替切換。圖5-圖6是本發明第一實施例的隔離型開關電容變換器在不同狀態下的等效電路圖。在開關Q1和Q3導通，開關Q2和Q4關斷時，本實施例的隔離型開關電容變換器的等效電路圖如圖5所示。在該狀態下，電容C1和C2串聯在輸入埠的兩端之間，由此，輸入電壓Vin通過所形成的電流迴路對電容C1和C2充電。充電電流由輸入埠的第一端i經由開關Q1、電容C1、開關Q3和電容C2流向輸入埠的第二端。在開關Q1和Q3關斷，開關Q2和Q4導通時，本實施例的隔離型開關電容變換器的等效電路圖如圖6所示。在該狀態下，電容C1和C2串聯在輸入埠的兩端之間。在上一狀態中被充電的電容C1和C2向輸出埠放電。放電電流經由輸出埠的第二端、開關Q4、電容C1、開關Q2和電容C2流向輸出埠處連接的負載。
優選地，本實施例的隔離型開關電容變換器還可以設置輸出電容Co以對輸出電壓進行平滑。
根據圖5和圖6可知，在第一狀態下，通過輸入埠對電容C1和C2充電，在第二狀態下電容C1和C2被串聯到輸出埠兩端對輸出埠放電。並且，無論在那種狀態下，輸入輸出埠的任意兩端之間始終連接有電容進行隔離，由此，可以隔離輸出端對輸入端的影響。
圖7是本發明第二實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖7所示，本實施例的隔離型開關電容變換器與第一實施例的隔離型開關電容變換器類似，其電容C2的連接方式有所不同。在本實施例中，電容C2連接在輸入埠的第一端i和輸出埠的第二端之間。由此，在開關Q1-Q4以與上一實施例相同的方式導通和關斷時，隔離型開關電容變換器在電容C1和C2串聯在輸出埠兩端之間和電容C1和C2串聯在輸入埠兩端之間兩個狀態之間切換。也即，在開關Q1和Q3導通，開關Q2和Q4關斷時，電容C1和電容C2串聯在輸出埠的兩端之間。在開關Q1和Q3關斷，開關Q2和Q4導通時，電容C1和電容C2串聯在輸入埠的兩端之間。
圖8是本發明第三實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。本實施例的隔離型開關電容變換器與第一實施例的隔離型開關電容變換器類似，其電容C2的連接方式有所不同。在本實施例中，電容C2連接在輸入埠的第二端和輸出埠的第二端之間，也即，連接在輸入埠的參考和輸出埠的參考端之間。同時，在本實施例中，開關Q1-Q4的連接關係與第一實施例相同，也即，開關Q1導通，開關Q2關斷時，可以使得電容C1的第一端a連接到輸入埠的第一端。開關Q1關斷，開關Q2導通時，可以使得電容C1的第一端連接到輸入埠的第二端。開關Q3導通，開關Q4關斷時，可以使得電容C1的第二端b連接到輸出埠的第一端o。開關Q3關斷，開關Q4導通時，可以使得電容C1的第二端B連接到輸出埠的第二端。
同時，開關Q1-Q4可以由如圖4所示的控制信號G1-G4控制，也即，開關Q1和Q3受控同時導通和關斷，開關Q2和Q4受控同時導通和關斷，且開關Q1和Q3以及開關Q2和Q4不同時導通。由此，可以使得本實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態間交替切換。
圖9和圖10分別為本實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態下和第二狀態下的等效電路圖。如圖9所示，在第一狀態下，開關Q1和Q3導通，開關Q2和Q4關斷。在該狀態下，電容C1連接在輸入埠的高壓端和輸出埠的高壓端之間，電容C2連接在輸出埠的參考端和輸入埠的參考端之間。由此，電流可以經由輸入埠的高壓端、電容C1、負載和電容C2形成的通路流動。在第一狀態下，通過輸入埠和電容C2的放電為電容C1充電並為負載供電。如圖10所示，在第二狀態下，開關Q2和Q4導通，開關Q1和Q3關斷。在該狀態下，電容C1和C2均連接在輸入埠的參考端和輸出埠的參考端之間，形成電流迴路，電容C1放電為電容C2充電，從而實現電容狀態的調節。
根據圖9和圖10可知，在第一狀態下，電容C1負載和電容C2實際上串聯在輸入埠的兩端之間，負載可以獲得供電，在第二狀態下電容C1和C2形成電流迴路進行電荷的重新分布，為下一次切換到第一狀態後電流可以流過電容到達負載做好準備。無論在那種狀態下，輸入輸出埠的任意兩端之間始終連接有電容進行隔離，由此，可以隔離輸出端對輸入端的影響。
圖11是本發明第四實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖11所示，本實施例的隔離型開關電容變換器與第三實施例的隔離型開關電容變換器類似，其電容C2的連接方式有所不同。在本實施例中，電容C2連接在輸入埠的第一端i和輸出埠的第一端o之間，也即，連接在輸入埠的高壓端和輸出埠的高壓端之間。同時，在本實施例中，開關Q1-Q4的連接關係與第一實施例相同，也即，開關Q1導通，開關Q2關斷時，可以使得電容C1的第一端a連接到輸入埠的第一端。開關Q1關斷，開關Q2導通時，可以使得電容C1的第一端連接到輸入埠的第二端。開關Q3導通，開關Q4關斷時，可以使得電容C1的第二端b連接到輸出埠的第一端o。開關Q3關斷，開關Q4導通時，可以使得電容C1的第二端B連接到輸出埠的第二端。
同時，開關Q1-Q4可以由如圖4所示的控制信號G1-G4控制，也即，開關Q1和Q3受控同時導通和關斷，開關Q2和Q4受控同時導通和關斷，且開關Q1和Q3以及開關Q2和Q4不同時導通。由此，可以使得本實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態間交替切換。本實施例第一狀態和第二狀態的等效電路與第三實施例類似，在此不再贅述。
圖12是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖12所示，本實施例的隔離型開關電容變換器包括電容C1、電容C2、電容C3、第一組開關Q1和Q2以及第二組開關Q3和Q4。其中，開關Q1-Q4以及電容C1的連接方式與第一實施例類似，在此不再贅述。在本實施例中，電容C2連接在輸入埠的參考端和輸出埠的高壓端之間，同時，電容C3連接在輸入埠的高壓端和輸出埠的高壓端之間。也即，本實施例相對於第一、第二實施例增加了與電容C2對稱設置的電容C3。
圖13是本發明第五實施例的隔離型開關電容變換器的控制信號的波形圖。如圖13所示，在分別控制開關Q1-Q4的控制信號G1-G4中，控制信號G1和G3同相，控制信號G2和G4同相，同時，上述兩組控制信號相互反相(或稱互補)。也即，在控制信號G1和G3為高電平時，控制信號G2和G4為低電平；在控制信號G1和G3為低電平時，控制信號G2和G4為高電平。在控制信號G1-G4的控制下，開關Q1和Q3同時導通和關斷，開關Q2和Q4同時導通和關斷。並且，在開關Q1和Q3導通時，開關Q2和Q4關斷。在開關Q1和Q3關斷時，開關Q2和Q4導通。由此，使得本實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態之間切換。
圖14-圖15是本實施例的隔離型開關電容變換器在不同狀態下的等效電路圖。如圖14所示，在第一狀態下，也即，在開關Q1和Q3導通、開關Q2和Q4關斷時，電容C1和電容C2被串聯在輸入埠的兩端之間，輸入埠可以對電容C1和電容C2進行充電。同時，由於電容C2連接在輸入埠的高壓端i和輸出埠的參考端之間，其使得從輸出埠側看，電容C1和C3被串聯在輸出埠，因此，電容C3也對電容C1充電，並同時對輸出埠供電。由此，在第一狀態下，並非僅僅進行充電，而是一部分電容進行充電，一部分電容對輸出埠放電。具體地，如果將流過電容C1的電流計為1，則由輸入埠流入的電流為1/2，而由輸出埠的參考端流過電容C3的電流則為1/2。同時，流過電容C2流回輸入埠的參考端的電流為1/2,而流向輸出埠的電流也為1/2。
如圖15所示，在第二狀態下，也即，在開關Q1和Q3關斷、開關Q2和Q4導通時，電容C3和C1被串聯在輸入埠的兩端，而電容C1和C2被串聯在輸出埠的兩端。由此，輸入埠和電容C1共同對電容C31充電。電流通過電容C3、開關Q4、電容C1和開關Q1流向輸入埠的參考端。同時，電容C1和C2與負載構成環路，對輸出埠進行供電。具體地，如果將流過電容C1的電流計為1，則由輸入埠流入的電流為1/2，而流過電容C2和流過電容C3的電流均為1/2。由此，在第二狀態下，也並非僅僅進行充電，而是一部分電容進行充電，一部分電容進行放電。應理解，以上為了便於進行理解，將流過電容C2和電容C3的電流設置為相等。但是，在實際的設計中，可以根據需要，通過設置電容的電容值以及控制信號的佔空比，改變上述電流的比例。
對比圖5、圖6和圖14-圖15可知，在第一和第二實施例中，輸出埠的輸出電流在0和1之間進行切換，而在本實施例中，無論在哪個狀態下，均存在對輸出埠供電的電容，因此，可以保持輸出電流連續，減小輸出埠的電流脈動，提高系統性能。由於電流脈動的減小，可以在設計時減小輸入輸出電容的電容值，從而降低製造成本。而且，無論在那種狀態下，輸出埠和輸入埠的任意兩端之間均存在電容隔離，因此，輸入埠和輸出埠之間保持隔離的狀態，不會相互影響。
圖16是本發明第六實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖16所示，本實施例的隔離型開關電容變換器的開關Q1-Q4以及電容C1與第五實施例相同，不同在於電容C2和電容C3的連接方式，在本實施例中，電容C2連接在輸入埠的高壓端和輸出埠的高壓端之間，同時，電容C3以對稱方式設置，連接在輸入埠的參考端和輸出埠的參考端之間。本實施例的開關Q1-Q4可以由圖13所示的控制信號G1-G4控制，也即，使得開關Q1和Q3受控同時導通和關斷，開關Q2和Q4受控同時導通和關斷，且開關Q1和Q3以及開關Q2和Q4不同時導通。由此，可以使得本實施例的隔離型開關電容變換器在第一狀態和第二狀態間交替切換。
圖17和圖18分別是本實施例的隔離型開關電容變換器在不同狀態下的等效電路圖。如圖17所示，在第一狀態下，也即在開關Q1和Q3導通，開關Q2和Q4關斷時，電容C1、負載和電容C3順序串聯在輸入埠的高壓端和參考端之間，輸入埠對電容C1充電並同時對負載供電，同時，電容C2與電容C1形成一個電流迴路，分流流過電容C1的部分電流。具體地，如果將流過電容C1的電流計為1，則由輸入埠流入的電流為1/2，而流過電容C2和流過電容C3的電流均為1/2。
如圖18所示，在第二狀態下，也即在開關Q1和Q3關斷，開關Q2和Q4導通時，電容C2、負載和電容C1順序串聯在輸入埠的高壓端和參考端之間，輸入埠通過電容C2對負載供電，電容C1則通過反向地放電使得電流從負載流向輸入埠的參考端。同時，電容C3與電容C1形成一個電流迴路，分流流過電容C1的電流。具體地，如果將流過電容C1的電流計為1，則由輸入埠流入的電流為1/2，而流過電容C2和流過電容C3的電流均為1/2。根據圖17和圖18可知，在第一狀態和第二狀態下流過電容C1、C2及C3的電流方向均相反，由此，可以通過在第一狀態和第二狀態之間反覆切換從而保證在存在電容隔離的條件下對輸出埠的負載進行供電。
對比第三和第四實施例的等效電路圖和本實施例的等效電路圖可知，在第三和第四實施例中，輸出埠的輸出電流在0和1之間進行切換，而在本實施例中，無論在哪個狀態下，均存在對輸出埠供電的電容，因此，可以保持輸出電流連續，減小輸出埠的電流脈動，提高系統性能。由於電流脈動的減小，可以在設計時減小輸入輸出電容的電容值，從而降低製造成本。而且，無論在那種狀態下，輸出埠和輸入埠的任意兩端之間均存在電容隔離，因此，輸入埠和輸出埠之間保持隔離的狀態，不會相互影響。
圖19是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖19所示，本實施例的隔離型開關電容變換器在第一實施例的基礎上增加了電容C4以及第三組開關Q5和Q6以及第四組開關Q7和Q8。電容C4以及開關Q5-Q8構成的「H」形電路與輸入埠以及輸出埠連接。所述的「H」形電路與電容C1和開關Q1-Q4構成的電路拓撲相同。也即，開關Q5連接在電容C4的第一端a』和輸入埠的高壓端i之間，開關Q6連接在電容C4的第一端a』和輸入埠的參考端之間，開關Q7連接在電容C4的第二端b』和輸出埠的高壓端o之間，開關Q8連接在電容C4的第二端b』和輸出埠的參考端之間。但是，開關Q5-Q8的控制方式與開關Q1-Q4相反。
圖20是本發明第七實施例的隔離型開關電容變換器的控制信號的波形圖。如圖20所示，控制信號G1-G8分別控制開關Q1-Q8。其中，控制信號G1、G3、G6和G8同相，而控制信號G2、G4、G5和G7同相，同時，上述兩組控制信號相互反相(或稱互補)。對應地，在控制信號G1-G8的控制下，開關Q1、Q3、Q6和Q8導通，同時，開關Q2、Q4、Q5和Q7關斷，使得隔離型開關電容變換器處於第一狀態；開關Q1、Q3、Q6和Q8關斷，同時，開關Q2、Q4、Q5和Q7導通，使得隔離型開關電容變換器處於第二狀態。隔離型開關電容變換器在上述第一狀態和第二狀態間周期性地切換，從而持續地為輸出埠供電。
圖21-圖22是本實施例的隔離型開關電容變換器在不同狀態下的等效電路圖。如圖21所示，在第一狀態下，也即，開關Q1、Q3、Q6和Q8導通，開關Q2、Q4、Q5和Q7關斷時，電容C1和電容C2串聯在輸入埠的兩端之間，同時，電容C2和電容C4串聯在輸出埠的兩端之間。輸入埠向電容C1和C2充電，同時，電容C2和電容C4向輸出埠供電。由於電容C2既被充電又被放電，因此，在電路參數均對稱設置，且控制信號G1-G8的佔空比被設置為50％時，流過電容C2的電流為零。在此前提下，第一狀態下的隔離型開關電容變換器實際上的電流通路為輸入埠的高壓端i、開關Q1、電容C1、開關Q3、負載、開關Q8、電容C4、開關Q6、輸入埠的參考端。如果將從輸入埠流入的電流計為1/2，則，流過上述器件的電流相同，均為1/2。
如圖22所示，在第二狀態下，也即，開關Q1、Q3、Q6和Q8關斷，開關Q2、Q4、Q5和Q7導通時，電容C1和電容C2串聯在輸出埠兩端之間，同時，電容C2和電容C4串聯在輸入埠兩端之間。輸入埠向電容C4和C2充電，同時，電容C1和C2向輸出埠供電。由於電容C2既被充電又被放電，因此，在電路參數均對稱設置，且控制信號G1-G8的佔空比被設置為50％時，流過電容C2的電流為零。在此前提下，第二狀態下的隔離型開關電容變換器實際上的電流通路為輸入埠的高壓端i、開關Q5、電容C4、開關Q7、負載、開關Q4、電容C1、開關Q2、輸入埠的參考端。如果將從輸入埠流入的電流計為1/2,則，流過上述器件的電流相同，均為1/2。
根據圖21和圖22可知，無論在哪個狀態下，輸出埠均可以獲得供電，輸出電流連續，電流脈動小。而且，由於電容C2上充電電流和放電電流相互抵消，因此，電容C2的容值可以設置得較小。同時，由於本實施例的隔離型開關電容變換器設置了兩個並列結構，每個結構只需要承受一半的輸出功率，因此，可以提高系統效率。
圖23是本發明第八實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖23所示，本實施例在第七實施例的基礎上增加電容C3，電容C3連接在輸入埠的高壓端i和輸出埠的參考端之間。本實施例的開關Q1-Q8的控制方式與第七實施例完全相同，在此不再贅述。
圖24-圖25是本發明第八實施例的隔離型開關電容變換器在不同狀態下的等效電路圖。如圖24所示，在第一狀態下，也即，開關Q1、Q3、Q6和Q8導通，開關Q2、Q4、Q5和Q7關斷時，電容C1和C2串聯在輸入埠的兩端之間，同時，電容C3和C4也串聯在輸入埠的兩端之間。輸入埠分別對上述兩組串聯的電容進行充電。同時，對於輸出埠而言，電容C1和C3串聯在輸出埠的兩端之間，同時電容C2和C4也串聯在輸出埠的兩端之間，上述兩組串聯的電容對輸出埠供電。由此，與上一實施例類似，電容C2和電容C3既充電，又放電，因此，實際流過電容C2和電容C3的電流為零。第一狀態下的隔離型開關電容變換器實際上的電流通路為輸入埠的高壓端i、開關Q1、電容C1、開關Q3、負載、開關Q8、電容C4、開關Q6、輸入埠的參考端。如果將從輸入埠流入的電流計為1/2，則，流過上述器件的電流相同，均為1/2。
如圖25所示，在第二狀態下，也即，開關Q1、Q3、Q6和Q8關斷，開關Q2、Q4、Q5和Q7導通時，電容C1和電容C2串聯在輸出埠兩端之間，電容C3和電容C4也串聯在輸出埠兩端之間。上述兩組串聯的電容對輸出埠供電。同時，對於輸入埠而言，電容C1和電容C3串聯在輸入埠的兩端之間，電容C2和C4也串聯在輸入埠的兩端之間，輸入埠分別對上述兩組傳亮的電容進行充電。第二狀態下的隔離型開關電容變換器實際上的電流通路為輸入埠的高壓端i、開關Q5、電容C4、開關Q7、負載、開關Q4、電容C1、開關Q2、輸入埠的參考端。如果將從輸入埠流入的電流計為1/2，則，流過上述器件的電流相同，均為1/2。
由此，本實施例形成一個完全對稱的結構，從而提供更多的電流通路。這一方面可以進一步降低每個器件需要承受的功率，提高效率，另一方面，電容C2和C3之一損壞時，隔離型開關電容變換器仍然可以正常工作。
圖26是本發明第九實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖26所示，本實施例在第三實施例的基礎上增加了電容C4以及第三組開關Q5和Q6以及第四組開關Q7和Q8。電容C4以及開關Q5-Q8構成的「H」形電路與輸入埠以及輸出埠連接。所述的「H」形電路與電容C1和開關Q1-Q4構成的電路拓撲相同。也即，開關Q5連接在電容C4的第一端a』和輸入埠的高壓端i之間，開關Q6連接在電容C4的第一端a』和輸入埠的參考端之間，開關Q7連接在電容C4的第二端b』和輸出埠的高壓端o之間，開關Q8連接在電容C4的第二端b』和輸出埠的參考端之間。但是，開關Q5-Q8的控制方式與開關Q1-Q4相反。也即，開關Q1-Q8可以通過圖20所示的控制信號G1-G8控制，由此，使得在第一狀態下，開關Q1、Q3、Q6和Q8導通，開關Q2、Q4、Q5和Q7關斷；在第二狀態下，開關Q1、Q3、Q6和Q8關斷，開關Q2、Q4、Q5和Q7導通。本實施例的隔離型開關電容變換器在不同的狀態下形成不同的電流通路，通過反覆充放電對負載進行供電，同時，由於輸入埠和輸出埠之間始終存在電容隔離因此，輸入埠和輸出埠之間保持隔離的狀態，不會相互影響。
而且，無論在哪個狀態下，輸出埠均可以獲得供電，輸出電流連續，電流脈動小。而且，由於電容C2上充電電流和放電電流相互抵消，因此，電容C2的容值可以設置得較小。同時，由於本實施例的隔離型開關電容變換器設置了兩個並列結構，每個結構只需要承受一半的輸出功率，因此，可以提高系統效率。
圖27是本發明第十實施例的隔離型開關電容變換器的電路圖。如圖27所示，本實施例在第九實施例的基礎上增加電容C3，電容C3連接在輸入埠的高壓端和輸出埠的高壓端之間。本實施例的開關Q1-Q8的控制方式與第九實施例完全相同，在此不再贅述。本實施例被形成為一個完全對稱的機構，從而可以提供更多的電流通路，這一方面可以進一步降低每個器件需要承受的功率，提高效率，另一方面，電容C2和C3之一損壞時，隔離型開關電容變換器仍然可以正常工作。
同時，在本發明所有的實施例中，位於副邊一側的開關，也即一端與輸出埠的高壓端或接地端連接的開關均可以被替換為二極體，二極體的陰極連接靠近輸出埠高壓端一側的端點，陽極連接靠近低壓端一側的端點。如圖28所示，對於第四實施例，可以將其中的開關Q3和Q4替換為二極體D1和D2。其中，二極體D1的陽極與電容C1的第二端b連接，陰極與輸出埠的高壓端連接。二極體D2的陽極與輸出埠的參考端連接，陰極與電容C1的第二端b連接。由於二極體的單向導通特性，使得二極體D1和D2可以隨開關Q1和Q2的導通和關斷來控制電流通路的變化，從而實現以隔離方式對輸出埠供電的目的。對於其它實施例的電路結構，基於類似的原理，也均可以將副邊側的開關替換為二極體。
本發明實施例通過設置串聯在輸入埠兩端之間的第一組開關和串聯在輸出埠兩端之間的第二組開關以及連接在兩組開關的中間端之間的第一電容和與輸入埠的任一端以及輸出埠的任一端連接的第二電容，從而可以有效地使得輸入埠和輸出埠隔離，同時，通過第一組開關和第二組開關的受控導通或關斷，控制第一電容以及第二電容進行充電和放電動作，從而實現電壓變換。由於輸入埠和輸出埠隔離，輸入電源不會受到輸出側電流脈動的影響。同時，由於變換器在提供隔離的同時無需使用線圈，可以減小隔離型變換器體積，使得隔離型變換器適用於小型化的產品。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。