CN105322796B - 一种多态三电平升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；该多态三电平升压电路还包括：第一多态开关和第二多态开关，第一多态开关和第二多态开关的桥臂均受控于所述控制器，根据各个桥臂导通状态的不同形成多个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平。本发明的电路在保持低开关频率的情况下提高升压电感和直流母线电容的频率，进而减小电感和电容的尺寸，提高电路的效率，提高系统功率密度，并且多态开关的使用使得电流采样的成本低，且不需要均流控制，控制器的复杂度大大降低。

Description

一种多态三电平升压电路

技术领域

本发明涉及电路技术领域，更具体地说，涉及一种多态三电平升压电路。

背景技术

升压(Boost)电路用于把低直流电压变换到高直流电压。三电平拓扑由于其开关管的电压应力只有两电平的一半，有利于开关器件的选项，同时减小了所需电感的尺寸，所以应用非常广泛。

请参阅图1，为现有技术中普通三电平升压电路的电路图。该电路中Vin为直流输入电源，电感L1、L2为升压电感，开关管S1、S2为升压控制的开关元件，二极管D1、D2为续流二极管，电容C1、C2为母线电容，为负载R_L供电。开关管S1、S2的电压应力是母线电压的一半，所以称为三电平升压电路。随着高效高功率密度需求的不断增加，提高开关频率成为提高功率密度的一个途径。然而，虽然提高开关频率可以减小无源器件电感、变压器和电容的体积，但是，开关频率高了以后开关损耗增加，这样效率又很难保证，最终无法同时实现高功率密度和高效率。

为了实现同时提高效率和功率密度这个目标，交错并联的结构被提出。请参阅图2，为现有技术中交错并联的三电平升压电路的电路图。如图2所示，Vin是输入直流电源、电感L11、L12、L21、L22是升压电感，开关管S11、S12、S21、S22是升压控制的开关元件，二极管D11、D12、D21、D22是续流二极管，电容C1、C2是母线电容。两个三电平升压电路交错工作，形成交错并联的三电平升压电路。每个三电平升压电路的工作过程是一样的，只是交错的两个单元的开关管的驱动信号进行一定角度的相移，使得两个电感的电流纹波相加，抵消特定次的谐波，最终使输入总电流的纹波幅值减小，频率增加，由此实现提高功率密度的目的。

但是，交错并联必须采样每个交错单元的输入电感或者开关管的电流，单独控制每个交错单元的电流，并且要进行均流控制，在控制技术上比较复杂。对于图1所示的结构，根据调制方式的不同，有开关管S1和S2同时导通或者不同时导通两个方式，以开关管S1和S2同时导通方式为例，在图2所示的交错并联结构中需要单独检测两个交错单元的电流，如电感L11、L12或者L21、L22的电流或者开关管S11、S12或者S21、S22的电流，分别对两个并联单元的电流进行控制，并且需要输入电流的一半作为单元电流的参考进行均流控制。至少需要两个电流采样器件，和三个电流控制环，增加了采样成本和控制复杂度。

因此，交错并联结构需要采样各交错单元的电感或者开关管电流，进行电流的单独控制，同时需要增加均流控制器消除各单元间的环流，采样的成本高，电流控制器结构复杂。而且交错并联的单元数量多的时候(如大于两个并联单元)均流控制的复杂度增加很多，对控制芯片的功能要求比较大，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有升压电路无法在保障效率和功率密度的同时降低采样成本和控制复杂度的缺陷，提供一种采用多态开关实现的多态三电平升压电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；所述第一母线电容和第二母线电容串联在所述多态三电平升压电路的第一主输出端和第二主输出端之间；

所述多态三电平升压电路还包括：第一多态开关和第二多态开关；直流电压源的正输出端通过第一升压电感连接至所述第一多态开关的第一端；所述第一多态开关的第三端连接至所述第一主输出端；所述直流电压源的负输出端通过第二升压电感连接至所述第二多态开关的第一端；所述第二多态开关的第三端连接至所述第二主输出端；所述第一多态开关和第二多态开关的第二端均连接至两个母线电容的中点；其中，第一多态开关和第二多态开关的桥臂均受控于所述控制器，根据各个桥臂导通状态的不同形成多个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路为三态三电平升压电路，所述第一多态开关和第二多态开关采用包含以下元件的多态开关：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端；且所述变压器的原边和副边的匝数相等；

两个整流元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间；

两个开关元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，均受控于所述控制器；

两个多态开关均仅导通一个桥臂时构成所述多态三电平升压电路的第一开关模态；两个多态开关的两个桥臂均导通构成所述多态三电平升压电路的第二开关模态；两个多态开关的两个桥臂均断开时构成所述多态三电平升压电路的第三开关模态。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路为N+1个开关模态，其中N为大于2的整数；所述第一多态开关和第二多态开关采用包括以下元件的多态开关：

具有N个绕组的变压器，所述变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，且所述变压器的原边与副边绕组的匝数相等；所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端；

N个整流元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；

N个开关元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，受控于所述控制器；

两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通时形成所述多态三电平升压电路的第1至N-1开关模态；两个多态开关的N个桥臂均导通形成所述多态三电平升压电路的第N开关模态；两个多态开关的N个桥臂均断开时形成所述多态三电平升压电路的第N+1开关模态。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述第一升压电感和所述第一多态开关的变压器采用第一集成变压器实现，所述第二升压电感和所述第二多态开关的变压器采用第二集成变压器实现；所述第一集成变压器和第二集成变压器的原副边耦合系数的大小由电路所需的电流纹波大小决定。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态开关中桥臂的开关元件的驱动信号移相的角度为

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路还包括位于输入端的滤波器，用于对共模噪声和差模噪声进行滤波。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述开关元件为金属-氧化层半导体场效晶体管、隔离栅双极晶体管、结型场效应晶体管、集成门极换流晶闸管、场控晶闸管或绝缘栅场效应管。

本发明还提供了另一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；还包括受控于所述控制器的第一多态开关和第二多态开关，根据N个桥臂导通状态的不同形成N+1个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平，其中N为大于1的整数；

第1至N-1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，使所述直流电压源、第一升压电感、第一多态开关、第二多态开关和第二升压电感形成第一回路为两个升压电感储能；两个多态开关的第一端、第三端间均等效导通，使所述直流电压源、第一升压电感、第一多态开关、第一母线电容、第二母线电容、第二多态开关和第二升压电感形成第二回路为两个母线电容充电；

第N开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，第一端、第三端间均等效断开；使所述第一回路导通为两个升压电感储能，所述第二回路断开，两个母线电容串联向负载放电；

第N+1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效断开，第一端、第三端间均等效导通；使所述第一回路断开，第二回路导通为所述两个母线电容充电。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路为三态三电平升压电路，所述第一多态开关和第二多态开关采用由以下元件组成的多态开关：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端；且所述变压器的原边和副边的匝数相等；

两个整流元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间；

两个开关元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，均受控于所述控制器；

两个多态开关均仅导通一个桥臂时构成所述多态三电平升压电路的第一开关模态；两个多态开关的两个桥臂均导通构成所述多态三电平升压电路的第二开关模态；两个多态开关的两个桥臂均断开时构成所述多态三电平升压电路的第三开关模态。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路为N+1个开关模态，其中N为大于2的整数；所述第一多态开关和第二多态开关采用由以下元件组成的多态开关：

具有N个绕组的变压器，所述变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，且所述变压器的原边与副边绕组的匝数相等；所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端；

N个整流元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；

N个开关元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，分别受控于所述控制器；

两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通时形成所述多态三电平升压电路的第1至N-1开关模态；两个多态开关的N个桥臂均导通形成所述多态三电平升压电路的第N开关模态；两个多态开关的N个桥臂均断开时形成所述多态三电平升压电路的第N+1开关模态。

实施本发明的多态三电平升压电路，具有以下有益效果：该电路可以在保持低开关频率的情况下提高升压电感和直流母线电容的频率，进而减小电感和电容的尺寸，提高电路的效率，提高系统功率密度，并且多态开关的使用使得电流采样的成本低，且不需要均流控制，控制器的复杂度大大降低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有技术中普通三电平升压电路的电路图；

图2为现有技术中交错并联的三电平升压电路的电路图；

图3为根据本发明的多态三电平升压电路的第一实施例的电路图；

图4a-4d分别为三态三电平升压电路的四个工作模式的电路图；

图5a-5d分别为与图4a-4d对应的该三态三电平升压电路的四个工作模式的等效电路图；

图6为根据本发明的多态三电平升压电路的第二实施例的电路图；

图7为根据本发明的多态三电平升压电路的第三实施例的电路图；

图8为根据本发明的多态三电平升压电路的第四实施例的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图3，为根据本发明的多态三电平升压电路的第一实施例的电路图。如图3所示，该实施例提供的多态三电平升压电路包括：直流电压源Vin、第一升压电感L1、第二升压电感L2、第一母线电容C1、第二母线电容C2和控制器(图中未示出)。第一母线电容C1和第二母线电容C2串联在多态三电平升压电路的第一主输出端和第二主输出端之间。在多态三电平升压电路的第一主输出端和第二主输出端输出升压后的直流电为负载R_L供电。

该多态三电平升压电路还包括：第一多态开关和第二多态开关。其中每个多态开关均具有第一端、第二端和第三端。

具体地，直流电压源Vin的正输出端通过第一升压电感L1连接至第一多态开关的第一端M1；第一多态开关的第三端Q1连接至第一主输出端。直流电压源Vin的负输出端通过第二升压电感L2连接至第二多态开关的第一端M2；第二多态开关的第三端Q2连接至第二主输出端。第一多态开关的第二端P1和第二多态开关的第二端P2均连接至第一母线电容C1和第二母线电容C2的中点。

由于多态开关具有的多模态控制特性，本发明中可以通过控制器对第一多态开关和第二多态开关的桥臂进行控制，根据各个桥臂导通状态的不同形成多个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平。下面对以图3所示的三态三电平升压电路为例，对本发明中如何使升压电路呈现三电平的原理进行详细阐述。

对于三态三电平升压电路而言，第一多态开关和第二多态开关均可以采用图3中所示的多态开关。第一多态开关包括第一变压器T1、两个整流元件如二极管D11、D12以及两个开关元件如开关管S11、S12。其中，第一变压器T1的原边Tp1的同名端和副边Ts1的异名端相连作为第一多态开关的第一端M1。第一变压器T1的原边Tp1的异名端通过二极管D11连接至第一多态开关的第三端Q1，还通过开关管S11连接至第一多态开关的第二端P1。第一变压器T1的副边Ts1的同名端通过二极管D12连接至第一多态开关的第三端Q1，还通过开关管S12连接至第一多态开关的第二端P1。对应地，第二多态开关包括第二变压器T2、两个整流元件如二极管D21、D22以及两个开关元件如开关管S21、S22。第二变压器T2也具有原边Tp2和副边Ts2。两个变压器的原边和副边的绕组的匝数相同。区别在于，第二多态开关中二极管的整流方向与第一多态开关中二极管的整流方向相反，以便形成电流回路，且防止第一母线电容C1和第二母线电容C2向多态开关放电。

开关管S11和开关管S12构成第一多态开关的两个桥臂，开关管S21和开关管S22构成第二多态开关的两个桥臂，这些开关管均受控于控制器，通过控制器发送的驱动信号控制其导通状态，组合成三个开关模态。

具体地，请参阅图4a-图4d，分别为该三态三电平升压电路的四个工作模式的电路图。

在图4a所示的第一工作模式下，两个多态开关均只导通第一个桥臂，开关管S11、S21导通，开关管S12、S22关断，直流电压源Vin、第一升压电感L1、第一多态开关、第二多态开关以及第二升压电感L2形成第一回路，为第一升压电感L1和第二升压电感L2储能。在第一工作模式的第一回路中，第一多态开关内部由第一变压器T1的原边Tp1和开关管S11在第一多态开关的第一端M1、第二端P1之间构成电流通路；第二多态开关内部由开关管S21和第二变压器T1的副边Ts2在第二多态开关的第二端M2、第一端P2之间构成电流通路。同时，直流电压源Vin、第一升压电感L1、第一多态开关、第一母线电容C1、第二母线电容C2、第二多态开关以及第二升压电感L2形成第二回路，为第一母线电容C1和第二母线电容C2充电。在第一工作模式的第二回路中，第一多态开关内部由第一变压器T1的副边Ts1和二极管D12在第一多态开关的第一端M1、第三端Q1之间构成电流通路；第二多态开关内部由二极管D22和第二变压器T2的原边Tp2在第二多态开关的第三端Q2、第一端M2之间构成电流通路。

在图4b所示的第二工作模式下，两个多态开关均只导通第二个桥臂，开关管S12、S22导通，开关管S11、S21关断，使得第一回路导通，为第一升压电感L1和第二升压电感L2储能。同时，第二回路也导通，为第一母线电容C1和第二母线电容C2充电。区别在于，在第二工作模式的第一回路中，第一多态开关内部由第一变压器T1的副边Ts1和开关管S12在第一多态开关的第一端M1、第二端P1之间构成电流通路；第二多态开关内部由开关管S22和第二变压器T1的原边Tp2在第二多态开关的第二端M2、第一端P2之间构成电流通路。在第二工作模式的第二回路中，第一多态开关内部由第一多态开关的第一变压器T1的原边Tp1和二极管D11在第一多态开关的第一端M1、第三端Q1之间构成电流通路；第二多态开关内部由二极管D21和第二变压器T2的副边Ts2在第二多态开关的第三端Q2、第一端M2之间构成电流通路。

由此可见，第一工作模式和第二工作模式中多态开关的两个桥臂轮流导通，但形成的电路效果一致，通过仅导通一个桥臂构成了同一种开关模态，即第一开关模态。

在图4c所示的第三工作模式下，两个多态开关的两个桥臂均导通，即开关管S11、S21导通，开关管S12、S22也导通，使得第一回路导通，为第一升压电感L1和第二升压电感L2储能。在第三工作模式的第一回路中，第一多态开关内部由第一变压器T1的原边Tp1和开关管S11，以及第一变压器T1的副边Ts1和开关管S12分别在第一多态开关的第一端M1、第二端P1之间构成两个电流子通路。同样，第二多态开关内部也具有如图4c所示的2个电流子通路。此时第二回路断开，两个母线电容串联向负载R_L放电。第三工作模式下多态开关的两个桥臂均导通，构成了多态开关和多态三电平电路的第二开关模态。

在图4d所示的第四工作模式下，两个多态开关的两个桥臂均断开，即开关管S11、S21断开，开关管S12、S22也断开，使得第一回路断开，第二回路导通为第一母线电容C1和第二母线电容C2充电。在第四工作模式的第二回路中，第一多态开关内部由第一变压器T1的原边Tp1和二极管D11，以及第一变压器T1的副边Ts1和二极管D12分别在第一多态开关的第一端M1、第三端Q1之间构成两个电流子通路。同样，第二多态开关内部也具有如图4d中所示的2个电流子通路。第四工作模式下多态开关的两个桥臂均断开，构成了多态开关和多态三电平电路的第三开关模态。

本发明中的开关模态是指针对桥臂的开关组合效果而言，实际上一种开关模态可能对应一种或多种开关组合状态。以具有两个桥臂的多态开关为例，设多态开关的桥臂的导通为1，关断为0，则第一多态开关的开关管S11、S12的开关组合有00、01、10、11四个开关组合状态，其中01表示开关管S11导通而开关管S12关断。同理，第二多态开关的开关管S21、S22的开关组合有00、01、10、11四个开关组合状态。第一多态开关和第二多态开关的开关组合状态共有16种，分别为0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111。根据控制需要可以选择不同的开关组合状态，以实现前述所需的开关模态，实现所需的电路效果。例如图4a中开关组合状态为1010，图4b中开关组合状态为0101，图4c中开关组合状态为1111，图4d中开关组合状态为0000。该实施例是优选地通过对第一多态开关和第二多态开关采用相同的开关组合状态来控制，而本发明并不限于这种控制方式，也可以根据需要采用具有相同的桥臂的开关组合效果的开关组合状态来实现电路所需的多个开关模态。如第一开关模态可以采用1010、0101、0110、1001的开关组合状态，其得到的开关组合效果是使第一多态开关和第二多态开关中均只导通一个桥臂即可。

请参阅图5a-5d分别为与图4a-4d对应的该三态三电平升压电路的四个工作模式的等效电路图。

由图5a可以得出，由于两个变压器对称设置，且原边和副边的匝数相等，当其中两个绕组串联在第二回路中时，两个绕组上的电压的和等于第一母线电容C1和第二母线电容C2上的电压，忽略二极管D12和D22上的压降，V_Tp1＝V_Ts1＝0.5*V_C1，V_Tp2＝V_Ts2＝0.5*V_C2。由于母线电容上的电压是输出电压Vo的一半，那么第一升压电感L1和第二升压电感L2的电感电压V_L1＝V_L2＝0.5Vin-0.25Vo。

由图5b可知，图5b与图5a在结构上是等效的，第一升压电感L1和第二升压电感L2的电感电压仍旧为V_L1＝V_L2＝0.5Vin-0.25Vo。图5c中由于变压器原边和副边的两个绕组并联，所以两个绕组上的电压都为0，那么第一升压电感L1和第二升压电感L2的电感电压V_L1＝V_L2＝0.5Vin。图5d中假设两个二极管D11、D12完全相同，二极管D21、D22完全相同，则二极管与绕组的连接点的电压相等，两个绕组并联，绕组上的电压为零，第一升压电感L1和第二升压电感L2的电压V_L1＝V_L2＝0.5Vin-0.5Vo。在不同的占空比下可以列写出电感电压的伏秒数平衡方程，由此推导出电路的变量关系，如输出电压和输入电压的增益关系等。

根据上述对等效电路的分析可以看出在图3的三态三电平升压电路结构中，第一变压器T1和第一升压电感L1的连接点为M1，第二变压器T2和第二升压电感L2的连接点为M2，这两点的电势相对于两个母线电容的中点有0、三个电压，是三电平的形式，亦即升压电感的电压有 三个值。

本发明中三态开关结构的采用使电感电压由交错并联时的两电平变成了三电平，所以可以大大减小升压电感的感量。而且开关元件的开关频率为f的时候，在升压电感上得到的频率是开关频率的两倍即2f。因此，可以在保持低开关频率的情况下提高无源器件的频率，获得低开关损耗和小电感体积的有益效果，有利于提高功率密度。此外，由于变压器的原边和副边的绕组匝数相同，不需要分别采样原副边绕组电流，且流过原副边绕组的电流相同，不需要均流控制，只需要采样升压电感的电流，所以电流采样电路是图2所示的传统交错并联结构的一半，降低了采样成本，同时降低了控制器的复杂度。

请参阅图6，为根据本发明的多态三电平升压电路的第二实施例的电路图。为了进一步减小体积提高系统的功率密度，可以把变压器和相连的升压电感集成在一起。如，将第一升压电感L1和第一变压器T1采用第一集成变压器T3实现，第二升压电感L1和第二变压器T2采用第二集成变压器T4实现。第一集成变压器T3和第二集成变压器T4是在原来第一变压器T1和第二变压器T2的基础上改变原副边耦合系数来实现。第一集成变压器T3和第二集成变压器T4的原副边耦合系数的大小由电路所需的电流纹波大小决定。

在本发明的另一些优选实施例中，多态开关根据开关的桥臂个数不同可以实现不同开关模态的数量。第一多态开关和第二多态开关可以采用具有N个桥臂的多态开关，其中N为大于2的整数，进而使得多态三电平升压电路为N+1个开关模态。具有N个桥臂的多态开关包括以下元件：

具有N个绕组的变压器，该变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，且所述变压器的原边与副边绕组的匝数相等；变压器原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端；

N个整流元件，分别连接在变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；

N个开关元件，分别连接在变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，受控于控制器。其中，两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通时形成多态三电平升压电路的第1至N-1开关模态。两个多态开关的N个桥臂均导通时形成多态三电平升压电路的第N开关模态。两个多态开关的N个桥臂均断开时形成多态三电平升压电路的第N+1开关模态。

同样地，此处的开关模态也是指针对桥臂的开关组合效果而言，实际上一种开关模态可能对应一种或多种开关组合状态。以具有N个桥臂的多态开关为例，第一多态开关具有2^N个开关组合状态，第二多态开关也具有2^N个开关组合状态。第一多态开关和第二多态开关的开关组合状态共有4^N种。优选地也可以对第一多态开关和第二多态开关采用相同的开关组合状态来控制。而本发明并不限于这种控制方式，也可以根据需要采用具有相同的桥臂的开关组合效果的开关组合状态来实现电路所需的多个开关模态。例如，第一开关模态可以采用N²个开关组合状态，其得到的开关组合效果是使第一多态开关和第二多态开关中均只导通一个桥臂即可。

同样地，在本发明的一些实施例中，当存在升压电感时，变压器的N个绕组的原副边绕组匝数可以相同。在本发明的另一些实施例中，也可以将变压器和相连的升压电感集成在一起，以进一步减小体积提高系统的功率密度，只需要在原来变压器的基础上改变原副边耦合系数来满足电路所需的电感值即可。

请参阅图7，为根据本发明的多态三电平升压电路的第三实施例的电路图。该方案中桥臂数N为3，构成了四态开关实现了四态三电平升压电路。其中，第一多态开关包括第一变压器T1，其原副边分别具有3个绕组，且原副边绕组匝数相同，第一原边绕组A1、第二原边绕组A2和第三原边绕组A3的同名端连接在一起作为第一多态开关的第一端M1，异名端则分别与各自的二极管和开关管连接。第一变压器T1的第一副边绕组A1、第二副边绕组A2和第三副边绕组A3呈三角形连接。第一多态开关还包括3个开关管S11、S12和S13构成的3个桥臂，同时包括3个二极管D11、D12和D13。第二多态开关则包括与第一多态开关对应的第二变压器T2、开关管S21、S22和S23以及二极管D21、D22和D23。该电路的工作过程与图3的三态三电平升压电路相似，有一个开关管导通两个开关管关断、两个开关管导通一个开关管关断、三个开关管均导通和三个开关管均关断的四个开关模态。需要指出的是，变压器的作用不是隔离，而是实现原边绕组间的电流平均分配。同理，也可以将变压器和相连的升压电感集成在一起，以进一步减小体积提高系统的功率密度，只需要在原来变压器的基础上改变原副边耦合系数来满足电路所需的电感值即可。

在该实施例中，一种开关模态也可能对应一种或多种开关组合状态。由于第一多态开关和第二多态开关具有3个桥臂。因此第一多态开关具有8个开关组合状态，第二多态开关也具有8个开关组合状态。第一多态开关和第二多态开关的开关组合状态共有64种。优选地也可以对第一多态开关和第二多态开关采用相同的开关组合状态来控制。而本发明并不限于这种控制方式，也可以根据需要采用具有相同的桥臂的开关组合效果的开关组合状态来实现电路所需的多个开关模态。例如，第一开关模态可以采用9个开关组合状态，分别为101010、010101、101001、100101、100110、011010、011001、010110、011001，其得到的开关组合效果是使第一多态开关和第二多态开关中均只导通一个桥臂即可。

请参阅图8，为根据本发明的多态三电平升压电路的第四实施例的电路图。第四实施例在前述实施例的基础上增加了位于输入端的滤波器，用于对共模噪声和差模噪声进行滤波，以满足标准对谐波和噪声的要求。

本发明中使用的整流元件可以为二极管。开关元件可以为开关元件为金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)、隔离栅双极晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、场控晶闸管(MCT)或绝缘栅场效应管(IGFET)等开关管。但是不局限于上述器件，根据应用的需要可以在可控开关上反并联二极管。

在本发明的优选实施例中，为了实现上述特性，需要对多态开关中桥臂的开关元件如开关管的驱动信号进行移相。每组多态开关的驱动信号可以移相任意角度，从消除谐波的角度来考虑，当有两个桥臂时驱动信号移相180°可以最大程度上抵消偶次谐波。如果有三个桥臂时移相120°可以最大程度的抵消三次谐波。总的来说，如果桥臂数为N，驱动信号移相的角度为能够最大程度的消除特定频率的谐波。

虽然本发明在前述实施例中给出了多态三电平升压电路的具体连接方式，但是本发明并不限于这些具体连接方式。因此，本发明的另一方面提供了一种多态三电平升压电路，只需要满足以下的电路原理即可。

该多态三电平升压电路包括：直流电压源Vin、第一升压电感L1、第二升压电感L2、第一母线电容C1、第二母线电容C2和控制器。该多态三电平升压电路还包括受控于控制器且的第一多态开关和第二多态开关，根据N个桥臂导通状态的不同形成N+1个开关模态，使多态三电平升压电路呈现三电平，其中N为大于1的整数：第1至N-1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，使直流电压源Vin、第一升压电感L1、第一多态开关、第二多态开关和第二升压电感L2形成第一回路为两个升压电感储能。两个多态开关的第一端、第三端间均等效导通，使直流电压源Vin、第一升压电感L1、第一多态开关、第一母线电容C1、第二母线电容C2、第二多态开关和第二升压电感L2形成第二回路为两个母线电容充电。

第N开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，第一端、第三端间均等效断开；使前述第一回路导通为两个升压电感储能，而第二回路断开，两个母线电容串联向负载R_L放电。

第N+1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效断开，第一端、第三端间均等效导通；使前述第一回路断开，而第二回路导通为两个母线电容充电。

其中，第一多态开关和第二多态开关也可以采用三态开关，使得多态三电平升压电路为三态三电平升压电路。这两个多态开关即三态开关包括：变压器、两个整流元件和两个开关元件。变压器的原边和副边的匝数相等，且原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端。两个整流元件分别连接在变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间。两个开关元件分别连接在变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间。每个开关元件构成一个桥臂，均受控于控制器。并且，多态开关均仅导通一个桥臂时构成第一开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效导通，第一端、第三端间等效导通。两个多态开关的两个桥臂均导通时，构成第二开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效导通，第一端、第三端间等效断开。两个多态开关的两个桥臂均断开时，构成第三开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效断开，第一端、第三端间等效断开。

同样地，第一多态开关和第二多态开关也可以采用N+1态开关，其中N为大于2的整数，使得多态三电平升压电路具有N+1个开关模态。这两个多态开关包括：变压器、N个整流元件和N个开关元件。变压器的原边与副边绕组的匝数相等，且变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端。N个整流元件，分别连接在变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；N个开关元件，分别连接在变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，分别受控于控制器形成N+1个开关模态。其中，两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通分别构成N-1个开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效导通，第一端、第三端间等效导通。两个多态开关的N个桥臂均导通时构成第N开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效导通，第一端、第三端间等效断开。两个多态开关的N个桥臂均断开时构成第N+1开关模态，对于整个升压电路而言，两个多态开关的第一端、第二端间等效断开，第一端、第三端间等效导通。

相应地，也可以将变压器和相连的升压电感集成在一起，以进一步减小体积提高系统的功率密度，只需要在原来变压器的基础上改变原副边耦合系数来实现，第一集成变压器和第二集成变压器的原副边耦合系数的大小由电路所需的电流纹波大小决定。也可以对多态开关中桥臂的开关元件如开关管的驱动信号进行移相，驱动信号移相的角度为能够最大程度的消除特定频率的谐波。也可以在多态三电平升压电路中增设位于输入端的滤波器，用于对共模噪声和差模噪声进行滤波，以满足标准对谐波和噪声的要求。

综上所述，本发明提供的多态三电平升压电路，具有如下优点：

1)三电平的结构使开关元件如开关管的电压应力为母线电压的一半；

2)多态开关的采用使电感电压的电平数增加，电感的尺寸可以大大减小，降低无源器件的体积；

3)开关元件如开关管的开关频率是电感频率的N分之一，N为多态开关的桥臂的数量，降低了开关损耗；改善输入的谐波特性，降低THD；

4)能够同时提高功率密度和效率；

5)因为变压器起自然均流的作用，所以不需要进行电流的均流控制来消除各单元间的环流，电流控制器结构简单；

6)每一个多态开关不需要采样多个电流，只需要采样一个电流，采样电路的成本低；

7)控制器结构简单，对控制芯片的性能要求低，降低了芯片的成本，总的成本降低。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；所述第一母线电容和第二母线电容串联在所述多态三电平升压电路的第一主输出端和第二主输出端之间；

其特征在于，所述多态三电平升压电路还包括：第一多态开关和第二多态开关；直流电压源的正输出端通过第一升压电感连接至所述第一多态开关的第一端；所述第一多态开关的第三端连接至所述第一主输出端；所述直流电压源的负输出端通过第二升压电感连接至所述第二多态开关的第一端；所述第二多态开关的第三端连接至所述第二主输出端；所述第一多态开关和第二多态开关的第二端均连接至两个母线电容的中点；

其中，第一多态开关和第二多态开关的桥臂均受控于所述控制器，根据各个桥臂导通状态的不同形成多个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平。

2.根据权利要求1所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述多态三电平升压电路为三态三电平升压电路，所述第一多态开关和第二多态开关采用包含以下元件的多态开关：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端；且所述变压器的原边和副边的匝数相等；

两个整流元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间；

两个开关元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，均受控于所述控制器；

两个多态开关均仅导通一个桥臂时构成所述多态三电平升压电路的第一开关模态；两个多态开关的两个桥臂均导通构成所述多态三电平升压电路的第二开关模态；两个多态开关的两个桥臂均断开时构成所述多态三电平升压电路的第三开关模态。

3.根据权利要求1所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述多态三电平升压电路为N+1个开关模态，其中N为大于2的整数；所述第一多态开关和第二多态开关采用包括以下元件的多态开关：

具有N个绕组的变压器，所述变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，且所述变压器的原边与副边绕组的匝数相等；所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端；

N个整流元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；

N个开关元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，受控于所述控制器；

两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通时形成所述多态三电平升压电路的第1至N-1开关模态；两个多态开关的N个桥臂均导通形成所述多态三电平升压电路的第N开关模态；两个多态开关的N个桥臂均断开时形成所述多态三电平升压电路的第N+1开关模态。

4.根据权利要求2或3所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述第一升压电感和所述第一多态开关的变压器采用第一集成变压器实现，所述第二升压电感和所述第二多态开关的变压器采用第二集成变压器实现；所述第一集成变压器和第二集成变压器的原副边耦合系数的大小由电路所需的电流纹波大小决定。

5.根据权利要求2或3所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述多态开关中桥臂的开关元件的驱动信号移相的角度为

6.根据权利要求4所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述多态三电平升压电路还包括位于输入端的滤波器，用于对共模噪声和差模噪声进行滤波。

7.根据权利要求1所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述开关元件为金属-氧化层半导体场效晶体管、隔离栅双极晶体管、结型场效应晶体管、集成门极换流晶闸管、场控晶闸管或绝缘栅场效应管。

8.一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；其特征在于，还包括受控于所述控制器的第一多态开关和第二多态开关，根据N个桥臂导通状态的不同形成N+1个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平，其中N为大于1的整数；

第1至N-1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，使所述直流电压源、第一升压电感、第一多态开关、第二多态开关和第二升压电感形成第一回路为两个升压电感储能；两个多态开关的第一端、第三端间均等效导通，使所述直流电压源、第一升压电感、第一多态开关、第一母线电容、第二母线电容、第二多态开关和第二升压电感形成第二回路为两个母线电容充电；

第N开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效导通，第一端、第三端间均等效断开；使所述第一回路导通为两个升压电感储能，所述第二回路断开，两个母线电容串联向负载放电；

第N+1开关模态时：两个多态开关的第一端、第二端间均等效断开，第一端、第三端间均等效导通；使所述第一回路断开，第二回路导通为所述两个母线电容充电。

9.根据权利要求8所述的多态三电平升压电路，其特征在于，N＝2，所述多态三电平升压电路为三态三电平升压电路，所述第一多态开关和第二多态开关采用由以下元件组成的多态开关：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端；且所述变压器的原边和副边的匝数相等；

两个整流元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间；

两个开关元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，均受控于所述控制器；

两个多态开关均仅导通一个桥臂时构成所述多态三电平升压电路的第一开关模态；两个多态开关的两个桥臂均导通构成所述多态三电平升压电路的第二开关模态；两个多态开关的两个桥臂均断开时构成所述多态三电平升压电路的第三开关模态。

10.根据权利要求8所述的多态三电平升压电路，其特征在于，所述多态三电平升压电路为N+1个开关模态，其中N为大于2的整数；所述第一多态开关和第二多态开关采用由以下元件组成的多态开关：

具有N个绕组的变压器，所述变压器的副边N个绕组的同名端和异名端首尾相连构成闭合等边多边形，且所述变压器的原边与副边绕组的匝数相等；所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为多态开关的第一端；

N个整流元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第三端之间；

N个开关元件，分别连接在所述变压器的原边N个绕组的异名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，分别受控于所述控制器；

两个多态开关均有1至N-1个桥臂导通时形成所述多态三电平升压电路的第1至N-1开关模态；两个多态开关的N个桥臂均导通形成所述多态三电平升压电路的第N开关模态；两个多态开关的N个桥臂均断开时形成所述多态三电平升压电路的第N+1开关模态。