CN110401344A - 一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路，包括：与飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块；与飞跨电容连接的控制模块，用于检测飞跨电容的电压值，当检测到飞跨电容的电压值小于第一预设值时，控制第二充电模块为飞跨电容充电，当检测到飞跨电容的电压值大于第二预设值时，控制第二充电模块停止为飞跨电容充电。本发明通过飞跨电容充电装置对待机状态下的飞跨电容三电平斩波电路中的飞跨电容进行充电，使飞跨电容的电压保持在正常变化范围内，即半中间直流电压附近，进而保证第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的开关管和二极管所承受的电压均处在安全范围之内，从而可以充分发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

Description

一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路

技术领域

本发明涉及斩波电路领域，特别是涉及一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路。

背景技术

飞跨电容三电平斩波电路具有可以选用较低电压等级的开关管器件、提高开关频率、降低斩波电感体积与成本等优势，广泛的应用于高电压、大功率的场合。一般的，飞跨电容三电平斩波电路参照图1所示，包括电源01、第一充电模块02、支撑电容C_d、飞跨电容C_f、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、斩波电感L、输出开关K₀₃、负载R_L，其中，电源01的正极和第一充电模块02的第一端连接，第一充电模块02的第二端分别与支撑电容C_d的第一端及第一开关的第一端连接，第一开关的第二端分别与飞跨电容C_f的第一端及第二开关的第一端连接，第二开关的第二端分别与第三开关的第一端及斩波电感L的第一端连接，第三开关的第二端分别与飞跨电容C_f的第二端及第四开关的第一端连接，第四开关的第二端分别与支撑电容C_d的第二端、负载R_L的第二端、电源01的负极连接，斩波电感L的第二端与输出开关K₀₃的第一端连接，输出开关K₀₃的第二端与负载R_L的第一端连接，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中均包括：开关管V_0i及与该开关管V_0i对应的二极管D_0i，开关管V_0i的第一端和二极管D_0i的阴极连接，其公共端作为第i开关的第一端，开关管V_0i的第二端与二极管D_0i的阳极连接，其公共端作为第i开关的第二端，i＝1，2，3，4。

为了使飞跨电容三电平斩波电路输出三电平，需要将飞跨电容C_f的电压控制在半中间直流电压(即1/2电源电压)，具体的，该飞跨电容三电平斩波电路在启动时，会通过第一充电模块02对飞跨电容C_f和支撑电容C_d进行第一次预充电，使飞跨电容C_f的电压达到半中间直流电压，支撑电容C_d两端的电压达到电源电压E，此时该飞跨电容三电平斩波电路进入待机状态，在待机状态下，考虑到飞跨电容自身存在漏电流放电，且在实际电路应用中，需要检测飞跨电容C_f的电压参与控制，在飞跨电容两端还并联有电压检测电路，因此，当待机时间足够长，飞跨电容持续放电，其两端电压下降至一定值以下时，会造成第一开关中的开关管V₀₁、二极管D₀₁和第四开关中的开关管V₀₄、二极管D₀₄所承受的电压超出安全范围，使开关管V₀₁、二极管D₀₁和开关管V₀₄、二极管D₀₄过压击穿，若提高开关管V₀₁、二极管D₀₁和开关管V₀₄、二极管D₀₄的电压等级，则飞跨电容三电平斩波电路中开关管承受低电压应力的优势不再，同时牺牲了飞跨电容三电平斩波电路在高开关频率、高电压和大功率场合的优越性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路，通过飞跨电容充电装置对处于待机状态下的飞跨电容三电平斩波电路中的飞跨电容进行二次充电，使飞跨电容的电压保持在正常变化范围内，进而保证第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的开关管和二极管所承受的电压均处在安全范围之内，从而充分发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种飞跨电容充电装置，应用于飞跨电容三电平斩波电路，所述飞跨电容三电平斩波电路包括电源，第一充电模块，支撑电容，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，飞跨电容，斩波电感，输出开关，负载，该飞跨电容充电装置包括：

与所述飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块；

与所述飞跨电容连接的控制模块，用于检测所述飞跨电容的电压值，当检测到所述飞跨电容的电压值小于第一预设值时，控制所述第二充电模块为所述飞跨电容充电，当检测到所述飞跨电容的电压值大于第二预设值时，控制所述第二充电模块停止为所述飞跨电容充电。

优选的，所述第二充电模块包括开关单元和与所述开关单元串联的充电电阻。

优选的，所述第二充电模块和所述第一开关或所述第四开关并联。

优选的，所述第二充电模块的第一端分别与所述斩波电感的第一端、所述第二开关的第二端及所述第三开关的第一端连接，所述第二充电模块的第二端与所述第四开关的第二端或所述第一开关的第一端连接。

优选的，所述第二充电模块的第一端分别与所述斩波电感的第二端及所述输出开关的第一端连接，所述第二充电模块的第二端与所述第四开关的第二端或所述第一开关的第一端连接。

优选的，所述开关单元的第一端和所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端作为所述第二充电模块的第一端，所述开关单元的第二端作为所述第二充电模块的第二端，其中，所述开关单元包括第一开关管，所述第一开关管的第一端作为所述开关单元的第一端，所述第一开关管的第二端作为所述开关单元的第二端。

优选的，所述开关单元还包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的第一端连接，其公共端作为所述开关单元的第一端，所述第一二极管的阳极与所述第一开关管的第二端连接，其公共端作为所述开关单元的第二端。

优选的，所述开关单元包括第二开关管，第三开关管，第二二极管，第三二极管；

所述第二开关管的第一端分别与所述第二二极管的阴极及所述第一开关的第一端连接，所述第二开关管的第二端分别与所述第二二极管的阳极、所述第三开关管的第一端及所述第三二极管的阴极连接，其公共端作为所述第二充电模块的第一端，所述第三开关管的第二端分别和所述第三二极管的阳极及所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述第四开关的第二端连接。

优选的，所述开关单元包括第四开关管，第五开关管，第四二极管，第五二极管；

所述第四开关管的第一端分别与所述第四二极管的阴极及所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述第一开关的第一端连接，所述第四开关管的第二端分别与所述第四二极管的阳极、所述第五开关管的第一端及所述第五二极管的阴极连接，其公共端作为所述第二充电模块的第一端，所述第五开关管的第二端分别与所述第五二极管的阳极及所述第四开关的第二端连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种飞跨电容三电平斩波电路，包括如上文任意一项所述的飞跨电容充电装置。

本发明提供了一种飞跨电容充电装置，应用于飞跨电容三电平斩波电路，飞跨电容三电平斩波电路包括电源，第一充电模块，支撑电容，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，飞跨电容，斩波电感，输出开关，负载，该飞跨电容充电装置包括：与飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块；与飞跨电容连接的控制模块，用于检测飞跨电容的电压值，当检测到飞跨电容的电压值小于第一预设值时，控制第二充电模块为飞跨电容充电，当检测到飞跨电容的电压值大于第二预设值时，控制第二充电模块停止为飞跨电容充电。

可见，在实际的电路应用中，采用本发明的方案，通过飞跨电容充电装置对处于待机状态下的飞跨电容三电平斩波电路中的飞跨电容进行二次充电，具体的，当控制模块检测到飞跨电容两端电压小于第一预设值时，通过第二充电模块给飞跨电容充电，使飞跨电容的电压保持在正常变化范围内，即半中间直流电压附近，进而保证第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的开关管和二极管所承受的电压均处在安全范围之内，从而充分发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

本发明还提供了一种飞跨电容三电平斩波电路，具有和上述飞跨电容充电装置相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图3a为本发明所提供的一种飞跨电容充电装置的实施例的结构示意图；

图3b为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置的实施例的结构示意图；

图4为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图5为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图6为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图7为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图8为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图9为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图10为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图11为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图12为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图；

图13为本发明所提供的另一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种飞跨电容充电装置及飞跨电容三电平斩波电路，通过飞跨电容充电装置对处于待机状态下的飞跨电容三电平斩波电路中的飞跨电容进行二次充电，使飞跨电容的电压保持在正常变化范围内，进而保证第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的开关管和二极管所承受的电压均处在安全范围之内，从而充分发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2，图2为本发明所提供的一种飞跨电容充电装置应用于飞跨电容三电平斩波电路中的结构示意图，图2只表示出了本发明所提供的飞跨电容充电装置与飞跨电容三电平斩波电路的其中一种连接方式，除了如图2所示的连接方式外，还可以有其他连接方式，飞跨电容三电平斩波电路包括电源01，第一充电模块02，支撑电容C_d，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，飞跨电容C_f，斩波电感L，输出开关K₀₃，负载R_L，该飞跨电容充电装置包括：

与飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块1；

与飞跨电容C_f连接的控制模块2，用于检测飞跨电容C_f的电压值，当检测到飞跨电容C_f的电压值小于第一预设值时，控制第二充电模块1为飞跨电容C_f充电，当检测到飞跨电容C_f的电压值大于第二预设值时，控制第二充电模块1停止为飞跨电容C_f充电。

需要提前说明的是，在本发明所提供的所有附图中，开关管器件如开关管V₀₁，V₀₂，V₀₃，V₀₄等均以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)表示，实际上还可以是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或其他具有相似功能的半导体开关器件；负载用电阻负载R_L表示，实际可以是电阻负载R_L，电容、超级电容负载，蓄电池、直流电机等反电动势负载，以及它们的串并联组合；二极管D₀₁、D₀₂、D₀₃、D₀₄等均以电力二极管为代表，实际应用中可以是与电力二极管有同等作用的其他器件。

具体的，本发明所提供的飞跨电容充电装置可以应用于如图1所示的飞跨电容三电平斩波电路中，该飞跨电容三电平斩波电路包括电源01、第一充电模块02、支撑电容C_d、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、飞跨电容C_f、斩波电感L、输出开关K₀₃、负载R_L，第一开关包括开关管V₀₁、二极管D₀₁，第二开关包括开关管V₀₂、二极管D₀₂，第三开关包括开关管V₀₃、二极管D₀₃，第四开关包括开关管V₀₄、二极管D₀₄，第一充电模块02包括预充电电阻R₀，与预充电电阻R₀串联的预充电开关K₀₁，与预充电电阻R₀及预充电开关K₀₁并联的短接开关K₀₂，上述各器件具体的连接关系如背景技术所述。

具体的，飞跨电容充电装置包括第二充电模块1和控制模块2，控制模块2与飞跨电容C_f连接，用于检测飞跨电容C_f两端的电压，检测方式主要包括如图3a所示的电阻分压检测、如图3b所示的霍尔电压传感器检测等，霍尔电压传感器检测的原理是电压经串联电阻产生电流，通过测量电流形成磁场的霍尔效应来测量电压。当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压小于第一预设值时，控制与该飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块1为飞跨电容C_f充电，可以理解的是，第二充电模块1和飞跨电容三电平斩波电路可以有多种连接方式，连接方式不同，对应的充电回路也不同，因此，控制模块2还需要控制相应的开关管导通，以构成和当前连接方式对应的充电回路。当飞跨电容C_f充电一定时间、控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压满足第二预设值时，控制第二充电模块1停止为飞跨电容C_f充电，相应的，关断之前导通的开关管，该飞跨电容三电平斩波电路继续待机，等待负载R_L接入。

具体的，接入负载R_L的时机分为以下两种时段：一是飞跨电容三电平斩波电路的待机时段，二是由第二充电模块1为飞跨电容C_f充电的时段。在待机时段接入负载R_L后，与原有电路控制时序相同，由控制模块2控制输出开关K₀₃闭合、开关管V₀₁、V₀₂、V₀₃、V₀₄触发相应脉冲，使飞跨电容三电平斩波电路进入工作状态；在第二充电模块1为飞跨电容C_f充电的时段接入负载R_L后，控制时序根据不同场合要求分别如下：在负载R_L接入后需要快速进入工作状态(如buck模式或boost模式)的场合，接入负载R_L后，首先关断开关管V₀₁(封锁V₀₁脉冲)，断开开关单元11，再闭合输出开关K₀₃，开关管V₀₁、V₀₂、V₀₃、V₀₄触发相应脉冲，飞跨电容三电平斩波电路进入工作状态。

相应的，在负载R_L接入后无需快速进入工作状态但对斩波电流纹波要求较高的场合，在接入负载R_L后，若飞跨电容电压处于半中间直流电压E/2附近的变化范围内，则与在负载R_L接入后需要快速进入工作状态的情况的控制时序相同，首先关断开关管V₀₁(封锁V₀₁脉冲)，断开开关单元11后，再闭合输出开关K₀₃，开关管V₀₁、V₀₂、V₀₃、V₀₄触发相应脉冲，飞跨电容三电平斩波电路进入工作状态；若飞跨电容电压未处于半中间直流电压E/2附近的变化范围内，则等待飞跨电容C_f充电完成，待飞跨电容电压达到半中间直流电压E/2附近的变化范围内，立即关断开关管V₀₁(封锁V₀₁脉冲)，断开开关单元11后，再闭合输出开关K₀₃，开关管V₀₁、V₀₂、V₀₃、V₀₄触发相应脉冲，飞跨电容三电平斩波电路进入工作状态。在此场合下，第二预设值不可设置过高，最好保持在半中间直流电压E/2附近的变化范围上限，否则在飞跨电容电压高于半中间直流电压E/2附近的变化范围时接入负载R_L，为满足较高斩波电流纹波要求，需长时间等待飞跨电容C_f放电至电压达到半中间直流电压E/2附近的变化范围内。

可以理解的是，针对普通飞跨电容三电平斩波电路在待机状态因飞跨电容C_f自放电或通过外部检测电路放电导致飞跨电容电压下降，进而造成开关管V₀₁、V₀₄承受电压超出E/2幅度较大，使V₀₁、V₀₄承受电压应力超出安全范围的问题，本发明通过提供飞跨电容充电装置及相应的控制时序，在任何时候均可控制飞跨电容电压，使其始终保持在正常变化范围内，进而保证所有开关管V₀₁、V₀₂、V₀₃、V₀₄及二极管D₀₁、D₀₂、D₀₃、D₀₄承受电压应力处于安全范围之内，从而尽大化发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

其中，第一预设值实际上是指飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}，第二预设值实际上是指飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}。飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}和飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}具有以下约束条件：飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}必须低于飞跨电容三电平斩波电路工作时飞跨电容C_f电压在半中间直流电压E/2附近的变化范围，飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}必须高于飞跨电容三电平斩波电路工作时飞跨电容C_f电压在半中间直流电压E/2附近的变化范围；飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}必须高于一定值，使得E-V_{Cf_min}≤V_{V_safe}(V_{V_safe}为开关管安全耐压值，考虑安全裕量)，飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}必须低于一定值，使得V_{Cf_max}≤V_{V_safe}，以保证所有开关管工作于安全承受电压工作区，且应保留一定安全裕量；飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}又须尽量低，飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}又须尽量高，以防止飞跨电容C_f待机放电时，飞跨电容电压很容易跌落至V_{Cf_min}以下，导致控制模块2频繁控制第二充电模块1对飞跨电容C_f进行二次充电，影响飞跨电容三电平斩波电路由待机转入工作的动态响应。根据以上约束条件综合选取飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}与飞跨电容电压上限值V_{Cf_max}，在实际应用中，飞跨电容电压下限值V_{Cf_min}与上限值V_{Cf_max}通常选择为以下互补关系，即V_{Cf_min}+V_{Cf_max}＝E。

本发明提供了一种飞跨电容充电装置，应用于飞跨电容三电平斩波电路，飞跨电容三电平斩波电路包括电源，第一充电模块，支撑电容，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，飞跨电容，斩波电感，输出开关，负载，该飞跨电容充电装置包括：与飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块；与飞跨电容连接的控制模块，用于检测飞跨电容的电压值，当检测到飞跨电容的电压值小于第一预设值时，控制第二充电模块为飞跨电容充电，当检测到飞跨电容的电压值大于第二预设值时，控制第二充电模块停止为飞跨电容充电。

可见，在实际的电路应用中，采用本发明的方案，通过飞跨电容充电装置对处于待机状态下的飞跨电容进行二次充电，具体的，当控制模块检测到飞跨电容两端电压小于第一预设值时，通过第二充电模块给飞跨电容充电，使飞跨电容的电压保持在正常变化范围内，即半中间直流电压附近，进而保证第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的开关管和二极管所承受的电压均处在安全范围之内，从而充分发挥飞跨电容三电平斩波电路的优势。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，第二充电模块1包括开关单元11和与开关单元11串联的充电电阻R₁。

具体的，第二充电模块1包括开关单元11和与开关单元11串联的充电电阻R₁，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制模块2控制开关单元11和相应的开关管导通，构成充电回路，为飞跨电容C_f充电，当检测到飞跨电容C_f充电一定时间使其电压达到第二预设值时，关断开关单元11及之前导通的开关管，使飞跨电容三电平斩波电路继续待机。其中，充电电阻R₁的主要作用是限流，防止充电回路接通后充电回路电流过大甚至短路，损坏飞跨电容C_f、开关单元11及对应开通的开关管、二极管和电源01。充电过程中，飞跨电容的电压V_Cf随时间变化的关系式为

相应的，充电电阻R₁可以是满足电阻特性的任何种类的电阻；开关单元11可以是机械开关，也可以是电子开关，具体可以是功率半导体开关器件，如晶闸管、GTO(GateTurn-off Thyristor，门极可关断晶闸管)、GTR(Giant Transistor，大功率晶体管或电力晶体管)、MOSFET、IGBT、IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极环流晶闸管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强栅晶体管)等，或与反并联二极管组成的复合开关器件。

具体的，充电电阻R₁的阻值需要根据充电时间快慢要求进行选择，设最大充电时间要求为T_{c_2nd_max}，则充电电阻R₁的阻值应满足确定充电电阻R₁的阻值后，飞跨电容C_f的充电时间T_{c_2nd}满足第一关系式，放电时间T_d满足第二关系式，其中，第一关系式为第二关系式为R_eq为飞跨电容C_f通过自身漏电放电及通过电压检测电路放电的总等效放电电阻；充电电阻R₁的瞬时功率P_R1随时间变化函数为k为系数；充电电阻R₁的最大功率满足在冲击时间段T_{c_2nd}，充电电阻R₁的冲击能量满足在工作周期T_{c_2nd}+T_d中，充电电阻R₁的平均功率满足

具体的，开关单元11主要是根据其最大承受电压、通过电流、分断电流来确定。开关单元11的最大承受电压满足最大通过电流及分断电流I_{11_max}满足

作为一种优选的实施例，第二充电模块1和第一开关或第四开关并联。

具体的，参照图4所示，第二充电模块1和第四开关并联，在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制模块2控制开关单元11和开关管V₀₁导通，则电源01、开关管V₀₁、飞跨电容C_f、充电电阻R₁、开关单元11构成充电回路，为飞跨电容C_f充电，当飞跨电容C_f充电至其两端电压达到第二预设值时，控制模块2关断开关管V₀₁及开关单元11，飞跨电容三电平斩波电路继续待机，等待负载R_L接入进入工作状态，在充电过程中，开关管V₀₁承受电压为0，开关管V₀₂承受电压为V_Cf，开关管V₀₃承受电压为V_Cf，开关管V₀₄承受电压为E-V_Cf，均在安全范围之内，其中，V_Cf为飞跨电容电压，E为电源电压。

具体的，参照图5所示，第二充电模块1和第一开关并联，在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制开关单元11和开关管V₀₄导通，电源01、充电电阻R₁、开关单元11、飞跨电容C_f、开关管V₀₄构成充电回路，为飞跨电容C_f充电，当飞跨电容C_f充电至其两端电压达到第二预设值时，控制模块2关断开关管V₀₄及开关单元11，飞跨电容三电平斩波电路继续待机，等待负载R_L接入进入工作状态。

作为一种优选的实施例，第二充电模块1的第一端分别与斩波电感L的第一端、第二开关的第二端及第三开关的第一端连接，第二充电模块1的第二端与第四开关的第二端或第一开关的第一端连接。

具体的，参照图6所示，第二充电模块1的一端连接至斩波电感L阀侧端(结点E)，另一端连接至直流母线正极(结点B)，在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制开关单元11和开关管V₀₄导通，电源01、开关管V₀₄、飞跨电容C_f、二极管D₀₂、充电电阻R₁、开关单元11构成充电回路，为飞跨电容C_f充电。这里的开关单元11的最大承受电压V_{11_max}满足V_{11_max}＝E。

具体的，当飞跨电容三电平斩波电路工作完成后需要退出时，原有飞跨电容三电平斩波电路中支撑电容C_d与飞跨电容C_f中储存电荷只能通过自身放电或直流母线并联电阻放电，放电时间较长。而参照图6所示的电路结构可以使飞跨电容三电平斩波电路工作完成需要退出时(断开短接开关K₀₂)，通过以下控制时序完成快速放电：控制模块2控制开关单元11、开关管V₀₃、开关管V₀₄导通，则支撑电容C_d通过充电电阻R₁、开关单元11、开关管V₀₃、开关管V₀₄构成的通路放电，直至支撑电容的电压小于飞跨电容的电压时，二极管D₀₁正偏导通，飞跨电容C_f通过二极管D₀₁，充电电阻R₁，开关管V₀₃构成的通路放电，飞跨电容C_f和支撑电容C_d一起放电直至电压为0。同时，本方案还适用于电源电压缓慢变化的场合(电压变化率须小于第二充电模块1对飞跨电容C_f充放电的电压变化率)，通过控制飞跨电容C_f充放电可维持飞跨电容电压在半中间直流电压E/2附近。

具体的，参照图7所示，第二充电模块1的一端连接至斩波电感L阀侧端(结点E)，另一端连接至直流母线负极(结点C)，在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制开关单元11和开关管V₀₁导通，电源01、开关管V₀₁、飞跨电容C_f、二极管D₀₃、充电电阻R₁、开关单元11构成充电回路，为飞跨电容C_f充电。这里的开关单元11的最大承受电压满足

相应的，参照图7所示的电路结构可以在飞跨电容三电平斩波电路工作完成需要退出时(断开短接开关K₀₂)，通过以下控制时序完成快速放电：控制模块2控制开关单元11、开关管V₀₁、开关管V₀₂导通，则支撑电容C_d通过开关管V₀₁、开关管V₀₂、充电电阻R₁、开关单元11构成的通路放电，直至支撑电容的电压小于飞跨电容的电压时，二极管D₀₄正偏导通，飞跨电容C_f通过开关管V02、充电电阻R₁、开关单元11、二极管D₀₄构成的通路放电，支撑电容C_d和飞跨电容C_f一起放电直至电压为0。同时，本方案适用于电源电压缓慢变化的场合(电压变化率须小于第二充电模块1对飞跨电容C_f充放电的电压变化率)，通过控制飞跨电容C_f充放电可维持飞跨电容电压在半中间直流电压E/2附近。

作为一种优选的实施例，第二充电模块1的第一端分别与斩波电感L的第二端及输出开关K₀₃的第一端连接，第二充电模块1的第二端与第四开关的第二端或第一开关的第一端连接。

具体的，参照图8所示，第二充电模块1的一端连接至斩波电感L负载R_L侧端(结点G)，第二充电模块1的另一端连接至直流母线负极(结点C)。在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制模块2控制开关单元11、开关管V₀₁闭合，电源01、开关管V₀₁、飞跨电容C_f、二极管D₀₃、斩波电感L、充电电阻R₁及开关单元11构成充电回路，为飞跨电容C_f充电。且在飞跨电容三电平斩波电路工作完成需要退出时(断开短接开关K₀₂)，可以通过以下控制时序完成快速放电：控制模块2控制开关单元11、开关管V₀₁、开关管V₀₂导通，支撑电容C_d通过开关管V₀₁、开关管V₀₂、斩波电感L、充电电阻R₁、开关单元11构成的通路放电，直至支撑电容的电压小于飞跨电容的电压时，二极管D₀₄正偏导通，飞跨电容C_f通过开关管V₀₂、斩波电感L、充电电阻R₁、开关单元11、二极管D₀₄构成的通路放电，支撑电容C_d和飞跨电容C_f一起放电直至电压为零。同时本方案也适用于电源电压缓慢变化的场合。

具体的，参照图9所示，第二充电模块1的一端连接至直流母线正极(结点B)，第二充电模块1的另一端连接至斩波电感L阀侧端(结点G)。在待机状态下(短接开关K₀₂处于闭合状态)，当控制模块2检测到飞跨电容C_f两端的电压值小于第一预设值时，控制模块2控制开关单元11、开关管V₀₄闭合，电源01、充电电阻R₁、开关单元11、斩波电感L、二极管D₀₂、飞跨电容C_f、开关管V₀₄构成充电回路，为飞跨电容C_f充电。在飞跨电容三电平斩波电路工作完成需要退出时(断开短接开关K₀₂)，可以通过以下控制时序完成快速放电：控制开关单元11、开关管V₀₃、开关管V₀₄导通，支撑电容C_d通过充电电阻R₁、开关单元11、斩波电感L、开关管V₀₃、开关管V₀₄构成的通路放电，直至支撑电容C_d电压小于飞跨电容的电压时，二极管D₀₁正偏导通，飞跨电容C_f通过二极管D₀₁、充电电阻R₁、开关单元11、斩波电感L、开关管V₀₃构成的通路放电，支撑电容C_d和飞跨电容C_f一起放电直至电压为零。本方案也适用于电源电压缓慢变化的场合。

作为一种优选的实施例，开关单元11的第一端和充电电阻R₁的第一端连接，充电电阻R₁的第二端作为第二充电模块1的第一端，开关单元11的第二端作为第二充电模块1的第二端，其中，开关单元11包括第一开关管V₁，第一开关管V₁的第一端作为开关单元11的第一端，第一开关管V₁的第二端作为开关单元11的第二端。

作为一种优选的实施例，开关单元11还包括第一二极管D₁，第一二极管D₁的阴极与第一开关管V₁的第一端连接，其公共端作为开关单元11的第一端，第一二极管D₁的阳极与第一开关管V₁的第二端连接，其公共端作为开关单元11的第二端。

具体的，可参照图10或图11所示，本实施例中开关单元11采用电子开关，控制方便，且精准度更高，同时还能缩小开关单元11的体积，考虑到在飞跨电容三电平斩波电路工作时突切负载R_L情况下，会对斩波电感L产生一个瞬间的高压，本实施例为斩波电感L的电流提供了一个续流回路，降低输出开关K₀₃承受过高电压导致损坏的风险。

作为一种优选的实施例，开关单元11包括第二开关管V₂，第三开关管V₃，第二二极管D₂，第三二极管D₃；

第二开关管V₂的第一端分别与第二二极管D₂的阴极及第一开关的第一端连接，第二开关管V₂的第二端分别与第二二极管D₂的阳极、第三开关管V₃的第一端及第三二极管D₃的阴极连接，其公共端作为第二充电模块1的第一端，第三开关管V₃的第二端分别和第三二极管D₃的阳极及充电电阻R₁的第一端连接，充电电阻R₁的第二端与第四开关的第二端连接。

具体的，参照图12所示，本实施例中的开关单元11包括第二开关管V₂与第二二极管D₂，第三开关管V₃和第三二极管D₃，第二开关管V₂反并联第二二极管D₂、第三开关管V₃反并联第三二极管D₃，封装一起采用一个双管桥模块实现，双管桥模块中第二开关管V₂的发射极与第三开关管V₃的集电极连接并引出作为第二充电模块1的第一端，连接至斩波电感L负载R_L侧端(结点G)，第三开关管V₃的发射极连接充电电阻R₁的一端，充电电阻R₁的另一端作为第二充电模块1的第二端连接至直流母线负极(结点C)，第二开关管V₂的集电极作为第二充电模块1的第三端连接至直流母线正极(结点B)。本实施例具有在飞跨电容三电平斩波电路工作时突切负载R_L情况下为斩波电感L的电流提供续流回路的功能，降低输出开关K₀₃承受过高电压导致损坏的风险。当飞跨电容三电平斩波电路工作于buck模式突切负载R_L时，通过第二二极管D₂为斩波电感L提供续流回路；飞跨电容三电平斩波电路工作于boost模式突切负载R_L时，通过第三二极管D₃和充电电阻R₁为斩波电感L提供续流回路。

作为一种优选的实施例，开关单元11包括第四开关管V₄，第五开关管V₅，第四二极管D₄，第五二极管D₅；

第四开关管V₄的第一端分别与第四二极管D₄的阴极及充电电阻R₁的第一端连接，充电电阻R₁的第二端与第一开关的第一端连接，第四开关管V₄的第二端分别与第四二极管D₄的阳极、第五开关管V₅的第一端及第五二极管D₅的阴极连接，其公共端作为第二充电模块1的第一端，第五开关管V₅的第二端分别与第五二极管D₅的阳极及第四开关的第二端连接。

具体的，参照图13所示，本实施例中的开关单元11包括第四开关管V₄与第四二极管D₄，第五开关管V₅和第五二极管D₅，第四开关管V₄反并联第四二极管D₄、第五开关管V₅反并联第五二极管D₅，封装一起采用一个双管桥模块实现，双管桥模块中第四开关管V₄的发射极与第五开关管V₅的集电极连接并引出作为第二充电模块1的第一端，连接至斩波电感L负载R_L侧端(结点G)，第四开关管V₄的集电极连接充电电阻R₁的一端，充电电阻R₁的另一端作为第二充电模块1的第二端连接至直流母线正极(结点B)，第五开关管V₅的发射极作为第二充电模块1的第三端连接至直流母线负极(结点C)。本实施例同样具有在飞跨电容三电平斩波电路工作于buck模式或boost模式时突切负载R_L情况下为斩波电感L提供续流回路的功能，降低输出开关K₀₃承受过高电压导致损坏的风险。其中，当飞跨电容三电平斩波电路工作于buck模式突切负载R_L时，通过第四二极管D₄和充电电阻R₁为斩波电感L提供续流回路；飞跨电容三电平斩波电路工作于boost模式突切负载R_L时，通过第五二极管D₅为斩波电感L提供续流回路。

相应的，本发明所提供的飞跨电容充电装置还可以应用在飞跨电容型三电平逆变桥(单相或三相)电路中，第二充电模块1与飞跨电容型三电平逆变桥(单相或三相)电路的连接方式及电路形式在每相桥中的实施方案与本发明所提供的实施例相同。

相应的，本发明还提供了一种飞跨电容三电平斩波电路，包括如上文任意一项所述的飞跨电容充电装置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种飞跨电容充电装置，应用于飞跨电容三电平斩波电路，所述飞跨电容三电平斩波电路包括电源，第一充电模块，支撑电容，第一开关，第二开关，第三开关，第四开关，飞跨电容，斩波电感，输出开关，负载，其特征在于，该飞跨电容充电装置包括：

与所述飞跨电容三电平斩波电路连接的第二充电模块；

与所述飞跨电容连接的控制模块，用于检测所述飞跨电容的电压值，当检测到所述飞跨电容的电压值小于第一预设值时，控制所述第二充电模块为所述飞跨电容充电，当检测到所述飞跨电容的电压值大于第二预设值时，控制所述第二充电模块停止为所述飞跨电容充电。

2.根据权利要求1所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述第二充电模块包括开关单元和与所述开关单元串联的充电电阻。

3.根据权利要求2所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述第二充电模块和所述第一开关或所述第四开关并联。

4.根据权利要求2所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述第二充电模块的第一端分别与所述斩波电感的第一端、所述第二开关的第二端及所述第三开关的第一端连接，所述第二充电模块的第二端与所述第四开关的第二端或所述第一开关的第一端连接。

5.根据权利要求2所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述第二充电模块的第一端分别与所述斩波电感的第二端及所述输出开关的第一端连接，所述第二充电模块的第二端与所述第四开关的第二端或所述第一开关的第一端连接。

6.根据权利要求5所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述开关单元的第一端和所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端作为所述第二充电模块的第一端，所述开关单元的第二端作为所述第二充电模块的第二端，其中，所述开关单元包括第一开关管，所述第一开关管的第一端作为所述开关单元的第一端，所述第一开关管的第二端作为所述开关单元的第二端。

7.根据权利要求6所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述开关单元还包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的第一端连接，其公共端作为所述开关单元的第一端，所述第一二极管的阳极与所述第一开关管的第二端连接，其公共端作为所述开关单元的第二端。

8.根据权利要求5所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述开关单元包括第二开关管，第三开关管，第二二极管，第三二极管；

所述第二开关管的第一端分别与所述第二二极管的阴极及所述第一开关的第一端连接，所述第二开关管的第二端分别与所述第二二极管的阳极、所述第三开关管的第一端及所述第三二极管的阴极连接，其公共端作为所述第二充电模块的第一端，所述第三开关管的第二端分别和所述第三二极管的阳极及所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述第四开关的第二端连接。

9.根据权利要求5所述的飞跨电容充电装置，其特征在于，所述开关单元包括第四开关管，第五开关管，第四二极管，第五二极管；

所述第四开关管的第一端分别与所述第四二极管的阴极及所述充电电阻的第一端连接，所述充电电阻的第二端与所述第一开关的第一端连接，所述第四开关管的第二端分别与所述第四二极管的阳极、所述第五开关管的第一端及所述第五二极管的阴极连接，其公共端作为所述第二充电模块的第一端，所述第五开关管的第二端分别与所述第五二极管的阳极及所述第四开关的第二端连接。

10.一种飞跨电容三电平斩波电路，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的飞跨电容充电装置。