CN110896278A - 电容钳位型直流变换电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容钳位型直流变换电路及其控制方法，该电容钳位型直流变换电路包括：钳位支路、电感、飞跨电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、输出电容支路和至少两个输入电容；其中：钳位支路的输出端与各个输入电容的串联支路中任意两个输入电容之间的连接点相连，钳位支路的输入端与第一开关管和第二开关管的连接点相连；并且该钳位支路的功能是在电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将第二开关管的电压钳位至预设电压，而在电容钳位型直流变换电路正常工作时并不进行钳位工作，因此，避免了现有技术中直流母线中点容易发生偏离的问题，进而提高电容钳位型直流变换电路的安全性。

Description

电容钳位型直流变换电路及其控制方法

技术领域

本发明属于直流变换技术领域，更具体的说，尤其涉及一种电容钳位型直流变换电路及其控制方法。

背景技术

目前，常用的电容钳位型DC-DC(Direct Current to Direct Current，直流变直流)电路如图1所示，包括：电感L、第一二极管D2、第二二极管D3，第一开关管Q1、第二开关管Q2、输入电容Cin、飞跨电容Cf、第一母线电容Co1和第二母线电容Co2；在电路启动前，飞跨电容Cf没有电压，在电路启动且输入电源的输入电压较高时，可能会引起第二开关管Q2过压损坏，进而导致电路失效。

现有技术中还存在一种方案：在图1的基础之上，还包括如图2所示的：二极管Df，该二极管Df的阳极分别与飞跨电容Cf的一端、第一开关管Q1的一端和第二开关管Q2的一端相连，通过二极管Df可以很好的解决飞跨电容Cf充电的问题和第二开关管Q2过压的问题，但是该方案中，直流母线中点容易发生偏离，进而降低电路的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电容钳位型直流变换电路及其控制方法，用于在避免第二开关管过压损坏的同时，避免电路损耗大的问题，进而提高电容钳位型直流变换电路的安全性和效率。

本发明第一方面公开了一种电容钳位型直流变换电路，包括：钳位支路、电感、飞跨电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、输出电容支路和至少两个输入电容；其中：

各个所述输入电容依次串联连接，各个所述输入电容串联后的两端分别作为所述电容钳位型直流变换电路的输入端正负极；

所述输出电容支路的两端分别作为所述电容钳位型直流变换电路的输出端正负极；

所述电感的一端与所述电容钳位型直流变换电路的输入端正极相连，所述电感的另一端分别与所述第一二极管的阳极和第一开关管的一端相连；

所述飞跨电容的一端，分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极相连；所述飞跨电容的另一端，分别与所述第一开关管的另一端和第二开关管的一端相连；

所述钳位支路的输出端与任意两个所述输入电容之间的连接点相连，所述钳位支路的输入端与所述第一开关管和所述第二开关管之间的连接点相连，用于在所述电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将所述第二开关管的电压钳位至预设电压；

所述第二开关管的另一端，分别与所述电容钳位型直流变换电路的输入端负极和输出端负极相连；所述第二二极管的另一端与所述电容钳位型直流变换电路的输出端正极相连。

可选的，所述钳位支路包括：钳位二极管；

钳位二极管的阳极作为所述钳位支路的输入端，所述钳位二极管的阴极作为所述钳位支路的输出端。

可选的，所述钳位支路还包括：可控双向开关；

所述钳位二极管和所述可控双向开关串联连接；

所述钳位二极管和所述可控双向开关串联后的一端作为所述钳位支路的输入端，另一端作为所述钳位支路的输出端；

在所述电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，所述可控双向开关为闭合状态，以使所述第二开关管的电压钳位至预设电压。

可选的，若所述钳位二极管的阳极与所述可控双向开关的一端相连，则所述钳位二极管的阴极作为所述钳位支路的输出端，所述可控双向开关的另一端作为所述钳位支路的输入端。

可选的，若所述钳位二极管的阴极与所述可控双向开关的一端相连，则所述钳位二极管的阳极作为所述钳位支路的输入端，所述可控双向开关的另一端作为所述钳位支路的输出端。

可选的，所述可控双向开关为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)，继电器，以及，IGBT和MOSFET的组合中的任意一种。

可选的，若所述输入电容的个数为2个，分别为第一输入电容和第二输入电容，则所述第一输入电容与第二输入电容的连接点，与所述钳位支路相连。

本发明第二方面公开了一种电容钳位型直流变换电路的控制方法，应用于本发明第一方面公开的电容钳位型直流变换电路的控制器，所述控制方法包括：

判断所述电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式；

若所述电容钳位型直流变换电路将进入斩波工作模式，则控制所述电容钳位型直流变换电路中的钳位支路由常通状态切换为断路状态。

可选的，所述钳位支路包括串联连接的钳位二极管和可控双向开关时，控制所述电容钳位型直流变换电路中的钳位支路由常通状态切换为断路状态，包括：

控制所述可控双向开关由常通状态切换为关断状态。

可选的，判断所述电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式，包括：

判断所述电容钳位型直流变换电路中飞跨电容上的电压是否达到阈值。

从上述技术方案可知，本发明提供的一种电容钳位型直流变换电路，包括：钳位支路、电感、飞跨电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、输出电容支路和至少两个输入电容；其中：钳位支路的输出端与各个输入电容的串联支路中任意两个输入电容之间的连接点相连，钳位支路的输入端与第一开关管和第二开关管的连接点相连；并且该钳位支路的功能是在电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将第二开关管的电压钳位至预设电压，因此，避免了现有技术中直流母线中点容易发生偏离的问题，进而提高电容钳位型直流变换电路的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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是现有技术提供的一种电容钳位型DCDC电路的示意图；

图2是现有技术提供的一种电容钳位型直流变换电路的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种电容钳位型直流变换电路的示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种电容钳位型直流变换电路的示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种电容钳位型直流变换电路的示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种电容钳位型直流变换电路的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种电容钳位型直流变换电路的控制方法的流程图；

图8是本发明实施例提供的另一种电容钳位型直流变换电路的示意图。

具体实施方式

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。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供一种电容钳位型直流变换电路，以解决现有技术中采用二极管为飞跨电容充电时，该二极管一直挂在电路中，在电路正常工作时也会有电流流过，因此损耗大、低了效率的问题。

该电容钳位型直流变换电路，参见图3，包括：钳位支路10、电感L、飞跨电容Cf、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、输出电容支路20和至少两个输入电容(图中以2个输入电容Cin1和Cin2为例进行展示)；其中：

各个输入电容依次串联连接，各个输入电容串联后的两端分别作为电容钳位型直流变换电路的输入端正负极。

具体的，若输入电容的个数为2个，如图3所示第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2，则2个输入电容的连接关系为：第一输入电容Cin1的一端作为电容钳位型直流变换电路的输入端正极，第一输入电容Cin1的另一端与第二输入电容Cin2的一端相连，第二输入电容Cin2的另一端作为电容钳位型直流变换电路的输入端负极。

当然，输入电容的个数也可以是其他数值，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。另外，输入电容的个数为其他数值时，各个输入电容的连接关系与上述连接关系相似，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

输出电容支路20的两端分别作为电容钳位型直流变换电路的输出端正负极。其中，输出电容支路20可以包括一个输出电容，此时，该输出电容的两端分别作为电容钳位型直流变换电路的输出端正负极；该输出电容支路20也可以包括至少两个输出电容，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

在此，以输出电容支路20包括两个输出电容为例进行说明，如图4所示，输出电容支路20包括：第一输出电容Co1和第二输出电容Co2，其中，第一输出电容Co1的一端作为电容钳位型直流变换电路的输出端正极，第一输出电容Co1的另一端与第二输出电容Co2的一端相连，第二输出电容Co2的另一端作为电容钳位型直流变换电路的输出端负极。在输出电容支路20中的输出电容个数为其他数值时的连接关系与上述连接关系相似，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

电感L的一端与电容钳位型直流变换电路的输入端正极相连，电感L的另一端分别与第一二极管D1的阳极和第一开关管Q1的一端相连。

具体的，在输入电容的个数为2个时，第一输入电容Cin1的一端作为电容钳位型直流变换电路的输入端正极，与电感L的一端相连；电感L的另一端分别与第一二极管D1的阳极和第一开关管Q1的一端相连。在输入电容的个数为其他数值时的连接关系与上述连接关系相似，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

飞跨电容Cf的一端，分别与第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极相连；飞跨电容Cf的另一端，分别与第一开关管Q1的另一端和第二开关管Q2的一端相连。

钳位支路10的输出端与任意两个输入电容之间的连接点相连，将连接点作为钳位支路10的钳位点，钳位支路10的输入端与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连。

需要说明的是，当电容钳位型直流变换电路的输入电压较高时，可以通过调整钳位支路10的钳位点，即钳位支路10与输入电容的连接点，或者，改变该钳位点与电容钳位型直流变换电路的输出端负极之间的总电容以及该钳位点与电容钳位型直流变换电路的输出端正极之间的总电容的容值，来实现对第二开关管Q2的钳位保护。具体的，该钳位点与电容钳位型直流变换电路的输出端正极之间的总电容与飞跨电容Cf组成并联支路，该并联支路与该钳位点与电容钳位型直流变换电路的输出端负极之间的总电容串联，因此，调整相应容值即可实现对第二开关管Q2的钳位保护。

具体的，在输入电容的个数为2个时，钳位支路10的输出端与第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2之间的连接点相连，钳位支路10的输入端与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连。

或者，在输入电容的个数为多个，比如3个时，如依次串联连接的第一输入电容、第二输入电容和第三输入电容，钳位支路10的输出端与第一输入电容和第二输入电容之间的连接点相连，或者，钳位支路10的输出端与第二输入电容和第三输入电容之间的连接点相连，钳位支路10的输入端与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连。

第二开关管Q2的另一端，分别与电容钳位型直流变换电路的输入端负极和输出端负极相连；第二二极管D2的另一端与电容钳位型直流变换电路的输出端正极相连。

具体的，在输入电容的个数为2个时，第二输入电容Cin2的另一端作为电容钳位型直流变换电路的输入端负极，分别与第二开关管Q2的另一端和输出电容支路20中的一端相连。第二二极管D2的另一端与输出电容支路20的另一端相连。

该钳位支路10用于在电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将第二开关管Q2的电压钳位至预设电压。

在本实施例中，钳位支路10仅在电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将第二开关管Q2的电压钳位至预设电压，并且其工作时的电流较小；避免了现有技术中使用二极管与输出电容相连而造成的直流母线中点容易发生偏离的问题，进而提高电容钳位型直流变换电路的安全性，另外，本发明提供的电容钳位型直流变换电路也不需要专门的预充电单元，无需增加成本。

可选的，本发明实施例图3或4所涉及的钳位支路10，参见图8(以在图3的基础上为例进行展示)包括：钳位二极管D3。

钳位二极管D3的阳极作为钳位支路10的输入端，与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连；钳位二极管D3的阴极作为钳位支路10的输出端，与任意两个输入电容之间的连接点相连。

在实际应用中，在图8的基础之上，参见图5和6，钳位支路10还包括：可控双向开关K1；其中：

钳位二极管D3和可控双向开关K1串联连接，钳位二极管D3和可控双向开关K1串联后的一端作为钳位支路10的输入端，另一端作为钳位支路10的输出端。

在实际应用中，该可控双向开关K1为IGBT，MOSFET，继电器，以及，IGBT和MOSFET的组合中的任意一种，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

钳位二极管D3和可控双向开关K1的连接关系可以有以下两种选择：

(1)如图5所示：钳位二极管D3的阳极与可控双向开关K1的一端相连，钳位二极管D3的阴极作为钳位支路10的输出端，与任意两个输入电容之间的连接点相连，可控双向开关K1的另一端作为钳位支路10的输入端，与第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的连接点相连。

(2)如图6所示：钳位二极管D3的阴极与可控双向开关K1的一端相连，钳位二极管D3的阳极作为钳位支路10的输入端，与第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的连接点相连，可控双向开关K1的另一端作为钳位支路10的输出端，与任意两个输入电容之间的连接点相连。

钳位支路10的结构在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

在电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，可控双向开关K1为闭合状态，以使第二开关管Q2的电压钳位至预设电压。

在此，以图5为例进行说明，在上电之前的正常状态下，可控双向开关K1默认处于常通状态；电容钳位型直流变换电路的输入端上电时，电流路径为：输入端→电感L→第一二极管D1→飞跨电容Cf→可控双向开关K1→钳位二极管D3，飞跨电容Cf通过该电流路径同步充电，同时，由于钳位二极管D3对第二开关管Q2的电压钳位，可以使得第二开关管Q2的电压不会过压；当电容钳位型直流变换电路处于斩波工作模式，即不处于暂态过度状态时，可控双向开关K1处于关断状态。

在钳位支路10为图6所示的结构时，与图5所示的结构的工作过程及原理相似，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

在本实施例中，钳位支路10包括钳位二极管D3和可控双向开关K1，因此，可以通过控制可控双向开关K1闭合或关断来控制钳位支路10进行钳位工作或不进行钳位工作，进而避免增加较多的外部电路和钳位二极管D3一直悬挂在电路中，而导致电容钳位型直流变换电路成本较高和损耗大的问题，提高电容钳位型直流变换电路的安全性和效率，有利于推广使用。

本发明实施例提供一种电容钳位型直流变换电路的控制方法，参见图7，包括：

S101、判断电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式。

需要说明的是，在电容钳位型直流变换电路上电之后，默认电容钳位型直流变换电路中的钳位支路处于常通状态，因此，在上电时，无论是输出电路先上电，还是输入电路先上电且输入电压较高，电容钳位型直流变换电路中的钳位支路都能够实现对于电容钳位型直流变换电路中第二开关管的钳位作用，同时为飞跨电容充电。

在实际应用中，本步骤S101的具体过程可以是：判断电容钳位型直流变换电路中飞跨电容上的电压是否达到阈值。

一般情况下，该阈值为半直流母线电压，当然，该阈值也可以是其他值，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

若电容钳位型直流变换电路中飞跨电容上的电压达到阈值，则判定该电容钳位型直流变换电路将进入斩波工作模式；若电容钳位型直流变换电路中飞跨电容上的电压未达到阈值，则判定该电容钳位型直流变换电路还处于暂态过度状态。

因此，在电容钳位型直流变换电路上电之后，通过电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式即可判断电容钳位型直流变换电路是否处于暂态过度状态；若电容钳位型直流变换电路将进入斩波工作模式，则判定电容钳位型直流变换电路不处于暂态过度状态，执行步骤S102；若电容钳位型直流变换电路未将进入斩波工作模式，则判定电容钳位型直流变换电路处于待机状态，即暂态过度状态。

S102、控制电容钳位型直流变换电路中的钳位支路由常通状态切换为断路状态。

在钳位支路包括串联连接的钳位二极管和可控双向开关时，本步骤S102的具体过程为：控制可控双向开关由常通状态切换为关断状态。

当该可控双向开关为常通状态时，钳位支路对应也为常通状态；当该可控双向开关为关断状态时，钳位支路对应为断路状态。

该电容钳位型直流变换电路的具体结构和工作过程详情参见上述任一实施例，在此不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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，在其它实施例中实现。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)

1.一种电容钳位型直流变换电路，其特征在于，包括：钳位支路、电感、飞跨电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、输出电容支路和至少两个输入电容；其中：

各个所述输入电容依次串联连接，各个所述输入电容串联后的两端分别作为所述电容钳位型直流变换电路的输入端正负极；

所述输出电容支路的两端分别作为所述电容钳位型直流变换电路的输出端正负极；

所述电感的一端与所述电容钳位型直流变换电路的输入端正极相连，所述电感的另一端分别与所述第一二极管的阳极和第一开关管的一端相连；

所述飞跨电容的一端，分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极相连；所述飞跨电容的另一端，分别与所述第一开关管的另一端和第二开关管的一端相连；

所述钳位支路的输出端与任意两个所述输入电容之间的连接点相连，所述钳位支路的输入端与所述第一开关管和所述第二开关管之间的连接点相连，用于在所述电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，将所述第二开关管的电压钳位至预设电压；

所述第二开关管的另一端，分别与所述电容钳位型直流变换电路的输入端负极和输出端负极相连；所述第二二极管的另一端与所述电容钳位型直流变换电路的输出端正极相连。

2.根据权利要求1所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，所述钳位支路包括：钳位二极管；

所述钳位二极管的阳极作为所述钳位支路的输入端，所述钳位二极管的阴极作为所述钳位支路的输出端。

3.根据权利要求2所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，所述钳位支路还包括：可控双向开关；

所述钳位二极管和所述可控双向开关串联连接；

所述钳位二极管和所述可控双向开关串联后的一端作为所述钳位支路的输入端，另一端作为所述钳位支路的输出端；

在所述电容钳位型直流变换电路处于暂态过度状态时，所述可控双向开关为闭合状态，以使所述第二开关管的电压被钳位至预设电压。

4.根据权利要求3所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，若所述钳位二极管的阳极与所述可控双向开关的一端相连，则所述钳位二极管的阴极作为所述钳位支路的输出端，所述可控双向开关的另一端作为所述钳位支路的输入端。

5.根据权利要求3所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，若所述钳位二极管的阴极与所述可控双向开关的一端相连，则所述钳位二极管的阳极作为所述钳位支路的输入端，所述可控双向开关的另一端作为所述钳位支路的输出端。

6.根据权利要求3所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，所述可控双向开关为绝缘栅双极型晶体管IGBT，金氧半场效晶体管MOSFET，继电器，以及，IGBT和MOSFET的组合中的任意一种。

7.根据权利要求1-6任一所述的电容钳位型直流变换电路，其特征在于，若所述输入电容的个数为2个，分别为第一输入电容和第二输入电容，则所述第一输入电容与第二输入电容的连接点，与所述钳位支路相连。

8.一种电容钳位型直流变换电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任意一项所述的电容钳位型直流变换电路的控制器，所述控制方法包括：

判断所述电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式；

若所述电容钳位型直流变换电路将进入斩波工作模式，则控制所述电容钳位型直流变换电路中的钳位支路由常通状态切换为断路状态。

9.根据权利要求8所述的电容钳位型直流变换电路的控制方法，其特征在于，所述钳位支路包括串联连接的钳位二极管和可控双向开关时，控制所述电容钳位型直流变换电路中的钳位支路由常通状态切换为断路状态，包括：

控制所述可控双向开关由常通状态切换为关断状态。

10.根据权利要求8或9所述的电容钳位型直流变换电路的控制方法，其特征在于，判断所述电容钳位型直流变换电路是否将进入斩波工作模式，包括：

判断所述电容钳位型直流变换电路中飞跨电容上的电压是否达到阈值。

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