CN109687713A - 一种三电平降压电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三电平降压电路及其控制方法，该电路包括：直流电源DC、输入母线滤波电容C1、输入母线滤波电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q1的结电容C3、功率开关管Q2的结电容C4、电容C5、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、升压电感L1以及电容C6。本发明提供了一种新的三电平降压电路拓扑，与传统对称buck三电平降压电路、飞跨电容三电平降压电路相比，不仅控制简单，不存在共模干扰，而且成本低，适宜推广应用。

Description

一种三电平降压电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种三电平降压电路及其控制方法。

背景技术

在电力电子拓扑中，Buck电路是最基本的一种DC/DC拓扑，应用到各种各样的电力电子设备中。对于低压系统，两电平Buck可以满足耐压要求，但是对于更高输入电压，由于市场上通用的功率管大多为低压器件，且高压器件价格是低压器件的几倍，两电平Buck已经难以满足耐压要求。现在三电平降压电路包括：对称buck三电平降压电路、飞跨电容三电平降压电路。其中，一、对称Buck三电平降压电路：对称buck降压电路的拓扑和驱动时序如图1和图2所示，开关管Q1和开关管Q2并不能保证同时的开通和关断，且在电容C1和电容C2中点电压有偏差的时，需要调节开关管Q1和开关管Q2的驱动时序来稳定电容C1和电容C2的中点电压，导致输出电压对地之间存在严重的共模信号，和大地之间形成共模干扰，导致很高的漏电流，影响系统的正常工作，对称Buck三电平降压拓扑需要两个电感，需要两路独立的驱动电路，这些也都增加了系统成本。二、飞跨电容三电平buck电路：飞跨电容三电平buck电路的拓扑和驱动时序如图3和图4所示，虽然飞跨电容三电平不存在共模干扰问题，但是飞跨电容三电平需要对飞跨的电容C5进行预充电，预充电电路设计比较复杂，且在稳态工作时，要时时刻刻控制电容C5上的电压，控制繁琐，电容C5的容值比较大，成本也比较高，至今飞跨电容Buck三电平很难在工程上被广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于通过一种三电平降压电路及其控制方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种三电平降压电路，该电路包括：直流电源DC、输入母线滤波电容C1、输入母线滤波电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q1的结电容C3、功率开关管Q2的结电容C4、电容C5、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、升压电感L1以及电容C6；所述直流电源DC的正极与输入母线滤波电容C1的一端、功率开关管Q1的集电极连接，直流电源DC的负极与输入母线滤波电容C2的一端、功率二极管D2的正极、电容C6的一端连接，输入母线滤波电容C1的另一端与输入母线滤波电容C2的另一端、功率二极管D3的正极、功率二极管D4的负极连接，功率二极管D3的负极与功率开关管Q1的发射极、电容C5的一端、功率开关管Q2的集电极连接，结电容C3并接在功率开关管Q1的集电极与发射极之间，结电容C4并接在功率开关管Q2的集电极与发射极之间，电容C5的另一端与功率二极管D4的正极、功率二极管D1的正极、功率二极管D2的负极连接，功率二极管D1的负极与功率开关管Q2的发射极、升压电感L1的一端连接，升压电感L1的另一端与电容C6的另一端连接。

基于上述三电平降压电路，本发明还公开了一种三电平降压电路控制方法，该方法包括：

功率开关管Q1、功率开关管Q2的驱动时序为：每个周期内，初始状态，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为低电平；t1时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；之后，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为高电平；t2时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；假设总母线电压为保持不变，该降压电路在工作的前x周期内，功率二极管D3正极与功率二极管D4负极的结点m点的电位一直降低，假设m点的电位降低至a时，母线中点s电位不再发生变化，始终为a,电容C5两端的电压为b，输出母线滤波电容C2两端的电压为a：

一、t1时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t1时间，电容C5既不充电也不放电，电容C5两端电压为b；

二、功率开关管Q1开通，功率开关管Q2开通，电容C5通过功率二极管D4和输入滤波电容C2这一回路被充电，充电电荷量为△Qc5，电容C5两端的电压由b变为a；

三、t2时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t2时间，电容C5通过功率二极管D2放电，放电电荷量为△Qc5，电压由原来的a降低至b；

四、功率开关管Q1关断，功率开关管Q2关断，电容C5电荷保持不变；

若每个周期内，t1和t2时间段中对输出母线滤波电容C2的放电电流的平均值为Ic2，则每个周期内对输出母线滤波电容C2的放电电荷量为△Qc2＝Ic2*(t1+t2)，每个周期内电容C5向总母线充电的电荷量为△Qc5，因为在整个周期内△Qc2＝△Qc5，所以输出母线中点s电压保持不变。

本发明提供了一种新的三电平降压电路拓扑，与传统对称buck三电平降压电路、飞跨电容三电平降压电路相比，不仅控制简单，不存在共模干扰，而且成本低，适宜推广应用。

附图说明

图1为对称buck三电平降压电路的拓扑结构示意图；

图2为对称buck三电平降压电路的拓扑驱动时序；

图3为飞跨电容三电平降压电路的拓扑结构示意图；

图4为飞跨电容三电平降压电路拓扑驱动时序；

图5为本发明实施例提供的三电平降压电路结构图；

图6为本发明实施例提供的功率开关管Q1与功率开关管Q2的驱动时序。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图5所示，图5为本发明实施例提供的三电平降压电路结构图。

本实施例中三电平降压电路具体包括：直流电源DC、输入母线滤波电容C1、输入母线滤波电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q1的结电容C3、功率开关管Q2的结电容C4、电容C5、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、升压电感L1以及电容C6；所述直流电源DC的正极与输入母线滤波电容C1的一端、功率开关管Q1的集电极连接，直流电源DC的负极与输入母线滤波电容C2的一端、功率二极管D2的正极、电容C6的一端连接，输入母线滤波电容C1的另一端与输入母线滤波电容C2的另一端、功率二极管D3的正极、功率二极管D4的负极连接，功率二极管D3的负极与功率开关管Q1的发射极、电容C5的一端、功率开关管Q2的集电极连接，结电容C3并接在功率开关管Q1的集电极与发射极之间，结电容C4并接在功率开关管Q2的集电极与发射极之间，电容C5的另一端与功率二极管D4的正极、功率二极管D1的正极、功率二极管D2的负极连接，功率二极管D1的负极与功率开关管Q2的发射极、升压电感L1的一端连接，升压电感L1的另一端与电容C6的另一端连接。其中，m点为功率二极管D3正极与功率二极管D4负极的结点，功率开关管Q1发射极与功率开关管Q2集电极的结点s点为输入母线中点。

本实施例还公开了一种上述三电平降压电路的控制方法，在本实施例中三电平降压电路控制方法具体包括：

如图6所示，功率开关管Q1、功率开关管Q2的驱动时序为：每个周期内，初始状态，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为低电平；t1时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；之后，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为高电平；t2时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；假设总母线电压为保持不变，该降压电路在工作的前x周期内，功率二极管D3正极与功率二极管D4负极的结点m点的电位一直降低，假设m点的电位降低至a时，母线中点s电位不再发生变化，始终为a,电容C5两端的电压为b，输出母线滤波电容C2两端的电压为a：

一、t1时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t1时间，电容C5既不充电也不放电，电容C5两端电压为b；

二、功率开关管Q1开通，功率开关管Q2开通，电容C5通过功率二极管D4和输入滤波电容C2这一回路被充电，充电电荷量为△Qc5，电容C5两端的电压由b变为a；

三、t2时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t2时间，电容C5通过功率二极管D2放电，放电电荷量为△Qc5，电压由原来的a降至b；

四、功率开关管Q1关断，功率开关管Q2关断，电容C5电荷保持不变；

若每个周期内，t1和t2时间段中对输出母线滤波电容C2的放电电流的平均值为Ic2，则每个周期内对输出母线滤波电容C2的放电电荷量为△Qc2＝Ic2*(t1+t2)，每个周期内电容C5向总母线充电的电荷量为△Qc5，因为在整个周期内△Qc2＝△Qc5，所以输出母线中点s电压保持不变。

本发明提供了一种新的三电平降压电路拓扑，与传统对称buck三电平降压电路、飞跨电容三电平降压电路相比：一、因为功率开关管Q1和功率开关管Q2的只需要满足相应的驱动时序即可，所以控制简单；二、因为输入DC和输出是共负极的，所以不存在共模干扰问题；三、因为功率开关管Q1和功率开关管Q2的驱动不需要独立的控制，且只需要一个电感L1，所以成本低。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (2)

1.一种三电平降压电路，其特征在于，该电路包括：直流电源DC、输入母线滤波电容C1、输入母线滤波电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q1的结电容C3、功率开关管Q2的结电容C4、电容C5、功率二极管D1、功率二极管D2、功率二极管D3、功率二极管D4、升压电感L1以及电容C6；所述直流电源DC的正极与输入母线滤波电容C1的一端、功率开关管Q1的集电极连接，直流电源DC的负极与输入母线滤波电容C2的一端、功率二极管D2的正极、电容C6的一端连接，输入母线滤波电容C1的另一端与输入母线滤波电容C2的另一端、功率二极管D3的正极、功率二极管D4的负极连接，功率二极管D3的负极与功率开关管Q1的发射极、电容C5的一端、功率开关管Q2的集电极连接，结电容C3并接在功率开关管Q1的集电极与发射极之间，结电容C4并接在功率开关管Q2的集电极与发射极之间，电容C5的另一端与功率二极管D4的正极、功率二极管D1的正极、功率二极管D2的负极连接，功率二极管D1的负极与功率开关管Q2的发射极、升压电感L1的一端连接，升压电感L1的另一端与电容C6的另一端连接。

2.一种三电平降压电路控制方法，其特征在于，该方法包括：

功率开关管Q1、功率开关管Q2的驱动时序为：每个周期内，初始状态，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为低电平；t1时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；之后，功率开关管Q1和功率开关管Q2的门极驱动电压均为高电平；t2时间段内，功率开关管Q1的门极驱动电压为高电平、功率开关管Q2的门极驱动电压为低电平；假设总母线电压为保持不变，该降压电路在工作的前x周期内，功率二极管D3正极与功率二极管D4负极的结点m点的电位一直降低，假设m点的电位降低至a时，母线中点s电位不再发生变化，始终为a,电容C5两端的电压为b，输出母线滤波电容C2两端的电压为a：

一、t1时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t1时间，电容C5既不充电也不放电，电容C5两端电压为b；

二、功率开关管Q1开通，功率开关管Q2开通，电容C5通过功率二极管D4和输入滤波电容C2这一回路被充电，充电电荷量为△Qc5，电容C5两端的电压由b变为a；

三、t2时间段内，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2开通，持续t2时间，电容C5通过功率二极管D2放电，放电电荷量为△Qc5，电压由原来的a降低至b；

四、功率开关管Q1关断，功率开关管Q2关断，电容C5电荷保持不变；

若每个周期内，t1和t2时间段中对输出母线滤波电容C2的放电电流的平均值为Ic2，则每个周期内对输出母线滤波电容C2的放电电荷量为△Qc2＝Ic2*(t1+t2)，每个周期内电容C5向总母线充电的电荷量为△Qc5，因为在整个周期内△Qc2＝△Qc5，所以输出母线中点s电压保持不变。