CN110994975A - 一种电容钳位式直流变换电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电力电子技术领域，提供了一种电容钳位式直流变换电路，包括：电容钳位式升压变换模块和旁路模块；其中，旁路模块的输入端与电容钳位式升压变换模块输入侧的正极相连，旁路模块的输出端与电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点以及飞跨电容的一端相连；因此，若电容钳位式升压变换模块输入侧的正极和负极短路，则旁路模块两端的电压能够被钳位于飞跨电容的两端电压，从而避免了旁路模块与正极支路上旁路模块后级二极管之间严重的不均压情况发生，无需额外的均压电路即可确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性。

Description

一种电容钳位式直流变换电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电容钳位式直流变换电路。

背景技术

目前，为改善电容钳位式升压变换模块在不进行升压变换时，自身传递能量过程中损耗较多的情况，现有技术通常采用如图1所示的带旁路二极管的电容钳位式升压变换模块。

当该电容钳位式升压变换模块只进行能量传递而不进行升压变换时，旁路二极管Db将电感L、第一二极管D1和第二二极管D2旁路，将该电容钳位式升压变换模块输入侧的电压通过旁路二极管Db直接传递至该电容钳位式升压变换模块的输出侧，降低传递过程中的损耗。而当图1所示的电容钳位式升压变换模块应用在电压等级较高的场合时，由于直流电压较高，所以现有技术是通过串联多个旁路二极管Db，来确保该电容钳位式升压变换模块在进行能量传递而不进行升压变换时旁路二极管Db能够实现可靠的反向截止，保证电路的电力安全。

此时，虽然该电容钳位式升压变换模块可以承受更大的反向截止电压，但是，多个二极管串联时存在均压问题，因此，仍然无法确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电容钳位式直流变换电路，以解决由于均压问题无法确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本申请提供一种电容钳位式直流变换电路，包括：电容钳位式升压变换模块和旁路模块；其中：

所述旁路模块的输入端与所述电容钳位式升压变换模块的输入侧正极相连；

所述旁路模块的输出端与所述电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点以及飞跨电容的一端相连。

可选的，所述旁路模块，包括一个旁路二极管；其中：

所述旁路二极管的阳极作为所述旁路模块的输入端；

所述旁路二极管的阴极作为所述旁路模块的输出端。

可选的，所述旁路模块包括一个旁路继电器；其中：

所述旁路继电器的两个触点分别作为所述旁路模块的输入端和输出端；

所述旁路继电器的两个触点在所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合。

可选的，所述旁路模块包括：旁路二极管和旁路继电器；其中：

所述旁路二极管和所述旁路继电器串联连接，串联后的两端分别作为所述旁路模块的输入端和输出端；

所述旁路继电器的两个触点在所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合。

可选的，所述旁路模块包括：至少两个旁路二极管；其中：

各个所述旁路二极管串联连接，串联后的正极作为所述旁路模块的输入端，串联后的负极作为所述旁路模块的输出端。

可选的，所述电容钳位式升压变换模块包括：输入电容、输入电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、所述飞跨电容以及输出电容支路；其中：

所述输入电容的第一端与所述输入电感的第一端相连，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输入侧正极；

所述输入电感的第二端依次通过所述第一开关管和所述第二开关管，与所述输入电容的第二端以及所述输出电容支路的第二端连接，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输入侧负极和输出侧负极；

所述输入电感的第二端，还依次通过所述第一二极管和所述第二二极管，与所述输出电容支路的第一端相连，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输出侧正极；

所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极的连接点，作为所述电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点，通过所述飞跨电容连接所述第一开关管与所述第二开关管之间的连接点。

可选的，所述输出电容支路包括：一个输出电容或者至少两个依次串联的输出电容。

可选的，还包括：控制器；

所述控制器用于控制所述第一开关管和所述第二开关管斩波工作，以使所述电容钳位式直流变换电路处于正常工作状态。

可选的，若所述旁路模块中包括旁路继电器，则所述控制器还用于控制所述旁路继电器导通，以使所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态。

由上述技术方案可知，本方案提供了一种电容钳位式直流变换电路，包括电容钳位式升压变换模块和旁路模块；其中，旁路模块的输入端与电容钳位式升压变换模块输入侧的正极相连，旁路模块的输出端与电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点以及飞跨电容的一端相连；因此，若电容钳位式升压变换模块输入侧的正极和负极短路，则旁路模块两端的电压能够被钳位于飞跨电容的两端电压，从而避免了旁路模块与正极支路上旁路模块后级二极管之间严重的不均压情况发生，无需额外的均压电路即可确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性。而且，本方案与使用两个二极管串联作为单独旁路的电路相比，节省了一个二极管，电路得到极大简化。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的电容钳位式升压变换模块的结构示意图；

图2a和图2b为本申请实施例提供一种电容钳位式直流变换电路的两种结构示意图；

图3-图6为本申请实施例提供的电容钳位式直流变换电路四种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

由背景技术可知，为改善电容钳位式升压直流变换电路电容钳位式升压变换模块在不进行升压工作时，自身能量传递过程中损耗较多的情况，现有技术提供一种带旁路二极管的电容钳位式升压直流变换电路电容钳位式升压变换模块，其具体结构如图1所示，包括：电感L、输入电容Cin、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、旁路二极管Db、飞跨电容Cf、第一输出电容Co1、第二输出电容Co2。

该电容钳位式升压变换模块的具体连接方式为：

电感L的第一端与输入电容Cin的一端相连，连接点与该电容钳位式升压变换模块第一侧的正极相连；电感L的第二端与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极相连；第二二极管D2的阴极与第一输出电容Co1的一端相连，连接点与该电容钳位式升压变换模块第二侧的正极相连。

输入电容Cin的另一端、第二开关管Q2的输出端以及第二输出电容Co2的一端均相连，连接点与该电容钳位式升压变换模块第一侧的负极相连，并且还与该电容钳位式升压变换模块第二侧的负极相连；第一输出电容Co1的另一端与第二输出电容Co2的另一端相连。

第一开关管Q1的输入端与电感L的第二端相连，第一开关管Q1的输出端、与第二开关管Q2的输入端相连；飞跨电容Cf的一端与第一开关管Q1的输出端相连，飞跨电容Cf的另一端与第二二极管D2的阳极相连。

在实际应用中，当第一开关管Q1和第二开关管Q2处于常断状态时，即该电容钳位式升压变换模块处于旁路状态时，旁路二极管Db正向导通，将该电容钳位式升压变换模块第一侧的电压通过旁路二极管Db传递至该电容钳位式升压变换模块的第二侧。

当图1所示的电容钳位式升压变换模块应用于电压等级较高的场合时，考虑到旁路二极管Db所能承受反向截止电压的能力，需要通过增加旁路二极管Db的数量，保证反向截止的可靠性。虽然这种方法使多个旁路二极管能够承受更大的反向截止电压，但是多个二极管串联时存在均压问题，因此，仍然无法确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性。

为了解决由于均压问题无法确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性的问题，本申请实施例提供一种电容钳位式直流变换电路，其具体结构如图2a或图2b所示，包括：电容钳位式升压变换模块20以及旁路模块10。

旁路模块10的输入端与电容钳位式升压变换模块20的输入侧正极相连，旁路模块10的输出端与电容钳位式升压变换模块20中正极支路上两个二极管的连接点以及飞跨电容的一端相连。

可选的，如图3所示，旁路模块10的一种具体实施方式为：旁路模块10包括一个旁路二极管Db；其中，旁路二极管Db的阳极作为旁路模块10的输入端，旁路二极管Db的阴极作为旁路模块10的输出端。

可选的，如图4所示，旁路模块10的另一种具体实施方式为：旁路模块10包括一个旁路继电器30；其中，旁路继电器30的两个触点分别作为旁路模块10的输入端和输出端；在实际应用中，旁路继电器30的两个触点在电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合，在电容钳位式直流变换电路处于正常工作状态时，即电容钳位式直流变换电路处于升压工作状态时断开。

需要说明的是，若触点为常闭触点，则当线圈得电时触点动作，形成断路；当线圈失电时触电不动作，保持通路；若触点为常开触点，则当线圈得电时触点动作，形成通路；当线圈失电时触点不动作，保持断路，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

可选的，如图5所示，旁路模块10的又一种具体实施方式为：旁路模块10包括旁路二极管Db和旁路继电器30；其中，旁路二极管Db和旁路继电器30串联连接，串联后的两端分别作为旁路模块10的输入端和输出端；在实际应用中，旁路继电器30的两个触点在电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合，在电容钳位式直流变换电路处于正常工作状态时，即电容钳位式直流变换电路处于升压工作状态时断开。

可选的，如图6所示，旁路模块10的再一种具体实施方式为：旁路模块10包括至少两个旁路二极管Db；其中，各个旁路二极管Db串联连接，串联后的正极作为旁路模块10的输入端，串联后的负极作为旁路模块10的输出端。

需要说明的是，上述旁路模块10的四种实施方式可视具体情况进行选取，此处不做具体限定，但均在本申请的保护范围内。

以图2a或图2b为例进行说明，该电容钳位式直流变换电路的工作原理为：

当电容钳位式升压变换模块20处于旁路状态时，旁路模块10处于导通状态，电流从电容钳位式升压变换模块20输入侧正极流出，依次流经旁路模块10以及电容钳位式升压变换模块20中正极支路上旁路模块10的后级二极管和输出电容支路21，最后流回电容钳位式升压变换模块20输入侧的负极，将电容钳位式升压变换模块20输入侧的电压传递至电容钳位式升压变换模块20的输出侧。

当电容钳位式升压变换模块20处于正常工作状态时，旁路模块10处于断开状态，该电容钳位式直流变换电路通过电容钳位式升压变换模块20进行升压变换工作。

若电容钳位式升压变换模块20输入侧的正极与负极之间短路，则由旁路模块10与电容钳位式升压变换模块20中正极支路上旁路模块10的后级二极管，即电容钳位式升压变换模块20中的第二二极管D2，承受反向截止电压；并且，由于飞跨电容Cf两端与旁路模块10两端相连，即旁路模块10两端的电压被钳制于飞跨电容Cf两端的电压；另外，在实际应用中，飞跨电容Cf会被预设充电至母线电压的一半，即旁路模块10两端的电压被钳制于母线电压的一半；而在电容钳位式升压变换模块20输入侧的正极与负极之间短路时，旁路模块10与电容钳位式升压变换模块20中正极支路上旁路模块10的后级二极管所承受反向截止电压等于母线电压，因此电容钳位式升压变换模块20中正极支路上旁路模块10的后级二极管所承受的反向截止电压也为母线电压一半。

与现有技术相比，若电容钳位式升压变换模块20输入侧的正极和负极短路，则旁路模块10两端的电压能够被钳位于飞跨电容Cf的两端电压，从而避免了旁路模块10与正极支路上旁路模块后级二极管之间严重的不均压情况的发生，无需额外的均压电路即可确保电容钳位式直流变换电路反向截止的可靠性。

值得说明的是，由于旁路模块10的输出端与第二二极管D2的阳极相连，即旁路模块10与电容钳位式升压变换模块20中正极支路中的二极管串联连接，因此本方案电路在应用于电压等级较高的场合时，也可以采用由低压二极管组成的旁路模块10实现旁路输入电感Lr的作用，降低线路中的损耗；并且，由于本方案电路是利用电容钳位式升压变换模块20中原有的二极管来增强本方案电路承受反向截止电压的能力，因此，本方案电路的成本相较现有技术没有增加，并且与现有相比，本方案节省了一个二极管，使得本方案中的电路得到极大简化。

本申请另一实施例提供电容钳位式升压变换模块20一种具体实施方式，其具体结构如图2a或图2b所示，包括：输入电容Cin、输入电感Lr、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、飞跨电容Cf以及输出电容支路21。

输入电容Cin的第一端与输入电感Lr的第一端相连，连接点作为电容钳位式升压变换模块20的输入侧正极。

输入电感Lr的第二端依次通过第一开关管Q1和第二开关管Q2，与输入电容Cin的第二端以及输出电容支路21的第二端连接，连接点作为电容钳位式升压变换模块20的输入侧负极和输出侧负极。

输入电感Lr的第二端，还依次通过第一二极管D1和第二二极管D2，与输出电容支路21的第一端相连，连接点作为电容钳位式升压变换模块20的输出侧正极。

第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极的连接点，作为电容钳位式升压变换模块20中正极支路上两个二极管的连接点，通过飞跨电容Cf连接第一开关管Q1与第二开关管Q2之间的连接点。

需要说明的是，第一开关管Q1和第二开关管Q2均为包括反向并联寄生二极管的开关管。

可选的，第一开关管Q1和第二开关管Q2可以为MOS晶体管和IGBT模块中的任一种，或者，MOS晶体管与IGBT模块的结合体，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，输出电容支路21的具体结构可以如图2a所示，包括：第一输出电容Co1。

其中，第一输出电容Co1的一端作为输出电容支路21的第一端，第一输出电容Co1的另一端作为输出电容支路21的第二端。

在实际应用中，输出电容支路21的具体结构还可以如图2b所示，包括：第二输出电容Co2和第三输出电容Co3。

其中，第二输出电容Co2一端作为输出电容支路21的第一端，第二输出电容Co2的另一端与第三输出电容Co3的一端相连，第三输出电容Co3的另一端作为输出电容支路21的第二端。

需要说明的是，上述仅为输出电容支路21的两种具体实施方式，在实际应用中，输出电容支路21的实施方式包括但不限于上述两种具体实施方式，输出电容支路21甚至可以包括更多依次串联连接的输出电容，此处不做具体限定，可视具体情况而定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，当第一开关管Q1和第二开关管Q2的控制端接收到斩波信号时，电容钳位式升压变换模块20将自身输入侧的电压升压传递至自身的输出侧，以图2a所示，其具体实现过程为：

若斩波信号位于高电平，则第一开关管Q1和第二开关管Q2均导通，因而使得电流从电容钳位式升压变换模块20输入侧的正极流出，流经输入电感Lr、第一开关管Q1以及第二开关管Q2，最后流回电容钳位式升压变换模块20输入侧的负极，为输入电感Lr充电；与此同时，由二极管支路反向截止，所以第一输出电容Co1不能通过第二二极管D2和第一二极管D1向外放电，只能通过电容钳位式升压变换模块20输出侧的正极和负极向外放电。

需要说明的是，实际应用中，在整个电容式直流变换电路开始工作前，输入电容Cin就预先充满电，以保证电容钳位式升压变换模块20输入侧电压的稳定性。

若斩波信号位于低电平，则第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断，因而使得电流从输入电感Lr的第二端流出，流经第一二极管D1、第二二极管D2、第一输出电容Co1以及输入电容Cin，最后流回输入电感Lr的第一端，由充满电的输入电感Lr和输入电容Cin共同为第一输出电容Co1充电，在此过程中，第一输出电容Co1两端之间的电压靠输入电容Cin两端的电压和逐渐减少的输入电感Lr的两端电压维持。

因此，随着斩波信号在高电平和低电平之间周期性的变换，直流变换电路也周期性的在上述两种工作状态中切换，由于输入电容Cin两端的电压等于电容钳位式升压变换模块20输入侧正极与负极之间的电压，所以当第一输出电容Co1达到充放电平衡时，该电容钳位式升压变换模块20输出侧的正极和负极之间的电压超过该电容钳位式升压变换模块20输入侧正极与负极之间的电压，从而实现将电容钳位式升压变换模块20输入侧的电压升压传递至输出侧的目的。

其余结构和工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本申请另一实施例在上述实施例的基础上，提供电容钳位式直流变换电路的一种实施方式，还包括：控制器。

控制器的第一输出端与第一开关管Q1的控制端以及第二开关管Q2的控制端均相连，控制器用于控制第一开关管Q1和第二开关管Q2斩波工作，以使电容钳位式直流变换电路处于正常工作状态。

若旁路模块10包括旁路继电器30，则控制器的第二输出端与继电器的控制端相连；控制器还用于控制旁路继电器30导通，以使电容钳位式直流变换电路处于旁路状态。

需要说明的是，在上述仅为控制器一种示例，本实施例包括但不限于控制器属于电容钳位式直流变换电路这一种控制器的实施方式，在实际应用中，控制器也可以属于整个逆变器，甚至还可以作为独立器件，独立于整个逆变器之外，均在本申请保护范围内。

其余结构和工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

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 (9)

1.一种电容钳位式直流变换电路，其特征在于，包括：电容钳位式升压变换模块和旁路模块；其中：

所述旁路模块的输入端与所述电容钳位式升压变换模块的输入侧正极相连；

所述旁路模块的输出端与所述电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点以及飞跨电容的一端相连。

2.根据权利要求1所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述旁路模块，包括一个旁路二极管；其中：

所述旁路二极管的阳极作为所述旁路模块的输入端；

所述旁路二极管的阴极作为所述旁路模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述旁路模块包括一个旁路继电器；其中：

所述旁路继电器的两个触点分别作为所述旁路模块的输入端和输出端；

所述旁路继电器的两个触点在所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合。

4.根据权利要求1所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述旁路模块包括：旁路二极管和旁路继电器；其中：

所述旁路二极管和所述旁路继电器串联连接，串联后的两端分别作为所述旁路模块的输入端和输出端；

所述旁路继电器的两个触点在所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态时闭合。

5.根据权利要求1所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述旁路模块包括：至少两个旁路二极管；其中：

各个所述旁路二极管串联连接，串联后的正极作为所述旁路模块的输入端，串联后的负极作为所述旁路模块的输出端。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述电容钳位式升压变换模块包括：输入电容、输入电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、所述飞跨电容以及输出电容支路；其中：

所述输入电容的第一端与所述输入电感的第一端相连，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输入侧正极；

所述输入电感的第二端依次通过所述第一开关管和所述第二开关管，与所述输入电容的第二端以及所述输出电容支路的第二端连接，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输入侧负极和输出侧负极；

所述输入电感的第二端，还依次通过所述第一二极管和所述第二二极管，与所述输出电容支路的第一端相连，连接点作为所述电容钳位式升压变换模块的输出侧正极；

所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极的连接点，作为所述电容钳位式升压变换模块中正极支路上两个二极管的连接点，通过所述飞跨电容连接所述第一开关管与所述第二开关管之间的连接点。

7.根据权利要求6所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，所述输出电容支路包括：一个输出电容或者至少两个依次串联的输出电容。

8.根据权利要求6所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，还包括：控制器；

所述控制器用于控制所述第一开关管和所述第二开关管斩波工作，以使所述电容钳位式直流变换电路处于正常工作状态。

9.根据权利要求8所述的电容钳位式直流变换电路，其特征在于，若所述旁路模块中包括旁路继电器，则所述控制器还用于控制所述旁路继电器导通，以使所述电容钳位式直流变换电路处于旁路状态。

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