CN109639144A - 一种五电平变换器 - Google Patents

Abstract

一种五电平变换器，包括漏极和源极依次串联的4个开关管，开关管的驱动信号均由统一的时钟控制。开关管S2总会在S1导通之前的一小段时间就开始导通，并且在S1关断之后一小段时间才开始关断；开关管S3总会在S4导通之前的一小段时间就开始导通，并且在S4关断之后的一小段时间才开始关断。通过对各个开关管导通和关断时序的控制，降低各个开关管漏源极间电压应力的功能，且不需要预充电过程即可实现均压。本发明不仅能够保留传统五电平变换器的优点，而且在电路启动过程中不存在开关管电压应力不均的情况，能够自然平衡并降低各个开关管的电压应力。

Description

一种五电平变换器

技术领域

本发明涉及开关变换器领域，特别涉及开关电源多电平变换器电路的控制方法及其控制模块。

背景技术

随着电力电子技术领域的迅速发展，开关变换器的应用越来越广泛，尤其是近年来，在许多大功率的应用场合，需要提高变换器的工作电压来达到降低工作电流从而提高变换器效率的目的。但是，电压等级较高的开关管很少，且满足条件的开关管成本较高，这就使得在高电压大功率应用场合，选择合适耐压值的开关管往往比较困难。因此，多电平变换器电路逐渐得到广泛关注。

与传统的两电平变换器相比，p+1电平变换器具有以下优点：开关管和二极管的电压应力降低到两电平变换器的1/p，滤波器电感减小到两电平变换器的1/p²，滤波电容减小到两电平变换器的1/p。

传统的五电平变换器电路拓扑如图1所示。该电路拓扑是由传统的共地型三电平变换器拓扑发展而来的。该电路包括四个开关管S1～S4、四个续流二极管D1～D4、三个飞跨电容C1～C3、一个输出电感L1和一个输出电容Co。

所述的四个开关管在每个周期内导通时间相同，且导通开启时刻将一个周期四等分。随着输入电压与输出电压的关系变化，每个开关管的导通时间随之变化，并且随着导通时间的增大，开关管同时导通的数量也会增多。当只有一个开关管导通时，各个开关管的驱动关系如图2所示。开关管S1导通时，输入电压经过S1的漏源极给飞跨电容C1充电，并通过续流二极管D2、D3、D4给输出电感提供能量，输出电感L1激磁，电流上升。S1关断时，输出电感L1电压反向去磁，同时给负载提供能量，并通过续流二极管构成回路。流过输出电感L1的电流下降。当开关管S2开通时，飞跨电容C1给飞跨电容C2充电，并通过续流二极管D3、D4给输出电感L1提供能量，输出电感L1激磁。当开关管S2关断时，输出电感L1再次去磁，同时给负载提供能量。开关管S3或S4导通和关断的情况与前述相同，此处不赘述。

当有两个、三个或者四个开关管同时导通时，分析方法与上述相同，此处不赘述。

上述传统五电平变换器电路，利用飞跨电容C1、C2、C3的充放电作用，在电路稳定时，各个开关管的漏源极间电压应力分配均衡且明显降低。然而，该电路在初次上电时，飞跨电容C1、C2、C3的初始电压为0，只有当开关管S1、S2、S3依次开通的情况下，电容C1、C2、C3才能依次进行充电并最终维持在一定的电压范围，使开关管的漏源极间的电压应力下降。因此，该电路在启动过程中由于开关管电压应力不均的问题，极其容易导致开关管的损坏。

发明内容

本发明主要解决的问题是，在不需要对电容进行预充电的前提下，降低各个开关管的电压应力。本发明采用一种新的电路连接关系，通过对各个开关管导通和关断时序的控制，降低各个开关管漏源极间电压应力的功能，且不需要预充电过程即可实现均压。本发明不仅能够保留传统五电平变换器的优点，而且在电路启动过程中不存在开关管电压应力不均的情况，能够自然平衡并降低各个开关管的电压应力。

一种五电平变换器，包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、电感L1、电容Co，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4依次串联，电容C1的另一端与输入正连接，电容C4的另一端与输入地连接；开关管S1的漏极与输入正相连，开关管S1的源极与开关管S2的漏极相连，开关管S2的源极与二极管D5阴极相连，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极与开关管S4的漏极相连，开关管S4的源极与输入地相连，二极管D1的阳极与电容C1和电容C2的连接点相连，二极管D1的阴极与开关管S1的源极相连，二极管D2的阳极与二极管D5的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极相连，二极管D3的阳极与电容C3和电容C4的连接点相连，二极管D3的阴极与二极管D7的阳极相连，二极管D4的阳极与开关管S3的源极相连，二极管D4的阴极与二极管D3的阳极相连，电感L1的一端与开关管S2的源极相连，电感L1的另一端与输出正相连，二极管D8的阳极引出作为输出地，电容Co的两端并联在输出正与输出地之间；开关管S1的栅极、开关管S2的栅极、开关管S3的栅极、开关管S4的栅极分别接外部的驱动信号，来控制开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的开通和关断。

优选的，所述的五电平变换器还包括电容C5和电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，其特征在于：电容C5两端并联在二极管D5的两端，电容C6两端并联在二极管D8的两端，电阻R1并联在电容C1的两端，电阻R2并联在电容C2的两端，电阻R3并联在电容C3的两端，电阻R4并联在电容C4的两端。

优选的，所述的开关管S3和开关管S4将输入地与输出地分离开。

优选地，开关管S2在开关管S1开通前导通，并在开关管S1关断之后关断；开关管S3在开关管S4开通之前导通，并在开关管S4关断之后关断。

优选的，所述的开关管S1可以与开关管S4的驱动同步，也可以不同步。

优选的，开关管S2在开关管S1导通之前导通的时间，与开关管S2在开关管S1关断之后关断的时间，可以相同，也可以不相同。

优选的，开关管S3在开关管S4导通之前导通的时间，与开关管S3在开关管S4关断之后关断的时间，可以相同，也可以不相同。

所述的开关管S1～S4的驱动信号均由统一的时钟控制。开关管S2总会在S1导通之前的一小段时间就开始导通，并且在S1关断之后一小段时间才开始关断；开关管S3总会在S4导通之前的一小段时间就开始导通，并且在S4关断之后的一小段时间才开始关断。这种驱动方式主要是为了防止由于器件容差的原因，导致若S1先导通，输入信号直接加在S2的漏极上，S2其将承受一个较大的电压应力，十分容易损坏开关管S2。该电路的驱动方式可分为两种，第一种方式为开关管S1和S4的驱动信号不同步，第二种方式为一个周期内开关管S1和S4的驱动信号同步。

本发明所提供的方案，通过输入电容C1～C4、续流二极管D1～D8的配合使用，对各个开关管的漏源极间电压应力进行钳位，防止应力过高损坏器件，达到了既能降低了开关管的电压应力，又能实现不需要预充电即可均压的功能。

附图说明

图1为传统五电平变换器电路原理图；

图2为传统五电平变换器同时只有一个开关管导通的驱动波形；

图3为传统五电平变换器同时有两个开关管导通的驱动波形；

图4为传统五电平变换器同时有三个开关管导通的驱动波形；

图5为传统五电平变换器同时有四个开关管导通的驱动波形；

图6为本发明实施例一的电路原理图；

图7为本发明实施例二的电路原理图；

图8为本发明实施例二第一种驱动方式驱动信号波形；

图9为本发明实施例二第一种驱动方式A、B两点之间的电压波形；

图10为本发明实施例二第一种驱动方式输出电感L1的电流波形；

图11为本发明实施例二第二种驱动方式驱动信号波形；

图12为本发明实施例二第二种驱动方式A、B两点之间的电压波形；

图13为本发明实施例二第二种驱动方式输出电感L1的电流波形。

具体实施方式

本发明通过设计一种输入、输出不共地的五电平变换器，实现了不需要对电容进行预充电即可实现开关管电压应力均衡的功能。

实施例一

图6为本发明第一实施例的原理图，一种五电平变换器，包括输入电容C1、输入电容C2、输入电容C3、输入电容C4、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4、续流二极管D5、续流二极管D6、续流二极管D7、续流二极管D8、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、输出电感L1、输出电容Co。

输入电容C1、输入电容C2、输入电容C3、输入电容C4依次串联，C1的另一端连接输入正Vin+，C4的另一端接输入地。S1的漏极连接输入正Vin+，S1的源极连接S2的漏极，S2的源极连接D5的阴极和L1的一端，D5的阳极连接D6的阴极，D6的阳极连接D7的阴极和C2与C3的串联节点，D7的阳极连接D8的阴极，D8的阳极连接S3的漏极，S3的源极连接S4的漏极，S4的源极接地。D1的阳极连接C1与C2的串联节点，D1的阴极连接S1的源极，D2的阳极连接D5的阳极，D2的阴极连接C1与C2的串联节点；C3与C4的串联节点连接D3的阳极和D4的阴极，D3的阴极连接D7的阳极，D4的阳极连接S3的源极。L1的另一端作为五电平变换器的输出正，S3的漏极引出作为五电平变换器的输出负，输出电容Co连接在五电平的输出正和输出负之间。

实施例二

图7为本发明优选方案，为第二实施例的原理图，图8为本发明第二实施例的驱动信号波形图。该实施例的连接关系是在发明内容的基础上，加入四个输入电阻和两个补偿电容。输入电阻R1～R4分别依次并联在输入电容C1～C4的两端，补偿电容C5、C6分别并联在续流二极管D5和D8的两端。

第一实施例与第二实施例的工作原理相似，以图7所示的第二实施例为例，说明该变换器的工作原理：

t0～t1阶段，开关管S2开通，输入钳位电容C2通过二极管D1、开关管S2给输出电感L1充电，A、B点之间的电压为Vin/4，同时为负载提供能量，并通过二极管D8、D7构成回路。由于t0时刻开始二极管D5～D8由导通状态变为截止状态，且二极管D5和D8两端由于并联了电容，相当于增大了结电容，所以D5和D8相对于D6、D7变为截止状态的速度较慢。由于此时D6和D7认为截止状态，所以其两端存在一个较大的电压，这个电压会通过续流二极管D2和D3分别对输入电容C2和C3进行充电。在这个阶段，开关管S1的漏源极间电压应力为钳位电容C1两端的电压，即Vin/4，开关管S3和S4的漏源极间电压应力之和近似等于钳位电容C3、C4两端的电压应力之和，为Vin/2，均分后每个开关管漏源极间的电压应力均为Vin/4。

t1～t2阶段，开关管S1导通，钳位电容C1和C2串联，通过开关管S1、S2给输出电感L1充电，A、B点之间的电压为Vin/4，同时为负载提供能量，并通过二极管D8、D7构成回路。二极管D5、D6认为截止状态。在这个阶段，开关管S3和S4的漏源极间电压应力之和仍为Vin/2。

t2～t3阶段，开关管S1关断，电路又回到了只有S2导通的工作状态，与前述t0～t1阶段状态相同，此处不赘述。

t3～t4阶段，开关管S2关断，输出电感两端的电压开始反向去磁，通过二极管D8、D7、D6、D5构成放电回路，为负载提供能量。此时，开关管S1、S2漏源极间的电压应力之和为钳位电容C1、C2两端的电压之和，即为Vin/2，两个开关管各自电压应力为Vin/4；开关管S3、S4漏源极间的电压应力之和为钳位电容C3、C4两端的电压之和，即为Vin/2，两个开关管各自电压应力为Vin/4。

t4～t5阶段,开关管S3导通，钳位电容C3通过二极管D6、D5对输出电感L1进行充电，A、B点之间的电压为Vin/4，同时为负载提供能量，并通过开关管S3、二极管D4构成回路。由于t4时刻开始二极管D5～D8由导通状态变为截止状态，且二极管D5和D8两端由于并联了电容，相当于增大了结电容，所以D5和D8相对于D6、D7变为截止状态的速度较慢。由于此时D6和D7认为截止状态，所以其两端存在一个较大的电压，这个电压会通过续流二极管D2和D3分别对输入电容C2和C3进行充电。在这个阶段，开关管S4的漏源极间电压为钳位电容C4两端的电压，即为Vin/4；开关管S1、S2漏源极间电压值和为钳位电容C1、C2串联两端电压之和，即为Vin/2，均分后，两个开关管的漏源极间的电压应力分别为Vin/4。

t5～t6阶段,开关管S4导通，钳位电容C3和C4串联，通过二极管D6、D5给输出电感L1充电，A、B点之间的电压为Vin/2，并为负载提供能量，并通过开关管S3、S4构成回路。在这个阶段，开关管S1和S2的漏源极间电压应力分别为Vin/4。

t6～t7阶段,开关管S4关断，电路又回到只有S3导通的工作状态，与前述t4～t5阶段工作状态基本相同，此处不赘述。

t7～t8阶段,开关管S3关断，输出电感反向，与前述t3～t4阶段工作状态相同，此处不赘述。

如前所述，4个开关管的漏源极间的电压应力可通过4个输入端的钳位电容和4个补偿电容配合使用来实现，不会导致其中某个开关管电压应力过高的问题。且4个钳位电容的充放电可通过输入电压和二极管D5～D8状态变化的速度差异进行补偿，通过调整参数可实现在一个周期内实现电容充放电平衡。

A和B两点之间的电压波形如图9所示，输出电感L1上的电流波形如图10所示。

要使电路工作在稳态，需保证输出电感L1在一个周期内伏秒平衡。将半个周期内输出电感L1的电流波形分为如图10的4个部分，可根据前述工作状态得到以下关系。其中，D为开关管S1和S4的占空比，D₀为开关管S2、S3的占空比，T_s为开关管开关周期，Δi₁为t0～t1阶段输出电感L1的电流变化，Δi₂为t1～t2阶段输出电感L1的电流变化，Δi₃为t2～t3阶段输出电感L1的电流变化，Δi₄为t3～t4阶段输出电感L1的电流变化：

根据伏秒平衡可知，以上公式(1)～(4)满足：

Δi₁+Δi₂+Δi₃＝Δi₄ (5)

根据公式(5)，最终可得到输入信号与输出信号满足：

V_o＝(D+D₀)V_in (6)

为验证以上输入、输出关系，对本实施例进行仿真：设置输入电压为500V，所有开关管的开关频率均为100kHz，分别设置D为0.08、0.18、0.28、0.38、0.48，设置D₀为0.02。仿真结果如表1所示：

V<sub>in</sub>/V	D	D<sub>0</sub>	V<sub>o</sub>/V
				500	0.08	0.02	49.5
500	0.18	0.02	99.1
				500	0.28	0.02	148.9
500	0.38	0.02	199.2
				500	0.48	0.02	249.2

本发明还可以用另外一种驱动方式，还是借助于图7进行说明，图11为另外一种驱动方式下的驱动信号波形图。

以图7为例，说明该变换器的工作原理：

t0～t1阶段，开关管S2、S3导通，输入钳位电容C2、C3串联通过二极管D1、开关管S2给输出电感L1充电，A、B点之间的电压为Vin/2，同时为负载提供能量，并通过开关管S3、二极管D4构成回路。在这个阶段，开关管S1和S4的漏源极间电压应力均为Vin/4。

t1～t2阶段，开关管S1、S4导通，输入信号直接加在在输出电感上，同时给负载供电。在这个阶段，A、B点之间的电压为Vin。

t2～t3阶段，开关管S1、S4关断，输入钳位电容C2、C3串联通过二极管D1、开关管S2给输出电感L1充电，与前述t0～t1阶段工作状态相同，此处不赘述。

t3～t4阶段,开关管S2、S3关断，输出电感开始反向去磁，通过二极管D8、D7、D6、D5构成放电回路，为负载提供放电回路。在这个阶段，开关管S1、S2漏源极间的电压应力之和为钳位电容C1、C2两端的电压之和，即为Vin/2，两个开关管各自电压应力为Vin/4；开关管S3、S4漏源极间的电压应力之和为钳位电容C3、C4两端的电压之和，即为Vin/2，两个开关管各自电压应力为Vin/4。

A和B两点之间的电压波形如图12所示，输出电感L1上的电流波形如图13所示。

要使电路工作在稳态，需保证输出电感L1在一个周期内伏秒平衡。将一个周期内输出电感L1的电流波形分为如图12的4个部分，可根据前述工作状态得到以下关系。其中，D为开关管S1和S4的占空比，D₀为开关管S2、S3的占空比，T_s为开关管开关周期，Δi₁为t0～t1阶段输出电感L1的电流变化，Δi₂为t1～t2阶段输出电感L1的电流变化，Δi₃为t2～t3阶段输出电感L1的电流变化，Δi₄为t3～t4阶段输出电感L1的电流变化：

根据伏秒平衡可知，以上公式(7)～(10)满足：

Δi₁+Δi₂+Δi₃＝Δi₄ (11)

根据公式(11)，最终可得到输入信号与输出信号满足：

V_o＝(D+D₀)V_in (12)

为验证以上输入、输出关系，对本实施例进行仿真：设置输入电压为500V，所有开关管的开关频率均为100kHz，分别设置D为0.08、0.18、0.28、0.38、0.48，设置D₀为0.02。仿真结果如表1所示：

V<sub>in</sub>/V	D	D<sub>0</sub>	V<sub>o</sub>/V
				500	0.08	0.02	49.6
500	0.18	0.02	99.0
				500	0.28	0.02	148.8
500	0.38	0.02	199.1
				500	0.48	0.02	249.2

以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体电路连接和控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种五电平变换器，其特征在于：包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、电感L1、电容Co，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4依次串联，电容C1的另一端与输入正连接，电容C4的另一端与输入地连接；开关管S1的漏极与输入正相连，开关管S1的源极与开关管S2的漏极相连，开关管S2的源极与二极管D5的阴极相连，二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与开关管S3的漏极相连，开关管S3的源极与开关管S4的漏极相连，开关管S4的源极与输入地相连，二极管D1的阳极与电容C1和电容C2的连接点相连，二极管D1的阴极与开关管S1的源极相连，二极管D2的阳极与二极管D5的阳极相连，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极相连，二极管D3的阳极与电容C3和电容C4的连接点相连，二极管D3的阴极与二极管D7的阳极相连，二极管D4的阳极与开关管S3的源极相连，二极管D4的阴极与二极管D3的阳极相连，电感L1的一端与开关管S2的源极相连，电感L1的另一端与输出正相连，二极管D8的阳极引出作为输出地，电容Co的两端并联在输出正与输出地之间；开关管S1的栅极、开关管S2的栅极、开关管S3的栅极、开关管S4的栅极分别接外部的驱动信号，来控制开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的开通和关断。

2.根据权利要求1所述的五电平变换器，其特征在于：还包括电容C5和电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，其特征在于：电容C5两端并联在二极管D5的两端，电容C6两端并联在二极管D8的两端，电阻R1并联在电容C1的两端，电阻R2并联在电容C2的两端，电阻R3并联在电容C3的两端，电阻R4并联在电容C4的两端。

3.根据权利要求1或2所述的五电平变换器，其特征在于：所述的开关管S3和开关管S4将输入地与输出地分离开。

4.根据权利要求1或2所述的五电平变换器，其特征在于：开关管S2在开关管S1开通前导通，并在开关管S1关断之后关断；开关管S3在开关管S4开通之前导通，并在开关管S4关断之后关断。

5.根据权利要求1或2所述的五电平变换器，其特征在于：所述的开关管S1可以与开关管S4的驱动同步，也可以不同步。

6.根据权利要求1或2所述的五电平变换器，其特征在于：开关管S2在开关管S1导通之前导通的时间，与开关管S2在开关管S1关断之后关断的时间，可以相同，也可以不相同。

7.根据权利要求1或2所述的五电平变换器，其特征在于：开关管S3在开关管S4导通之前导通的时间，与开关管S3在开关管S4关断之后关断的时间，可以相同，也可以不相同。