CN112564483A - 一种飞跨电容三电平Boost电路及其控制方法 - Google Patents
一种飞跨电容三电平Boost电路及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种飞跨电容三电平Boost电路及其控制方法，该电路中的可控开关的一端与飞跨电容的第二端连接，可控开关的另一端与第一电容和第二电容的公共端连接，可控开关在其两端的电压不相等时接通。可控开关的第二端的电压恒为输出电压的一半，若飞跨电容的电压小于第二预设阈值，正向接通可控开关，使得可控开关第一端的电压下降，飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，保护第一开关管不会过压；若飞跨电容的电压大于第一预设阈值，反向接通可控开关，使得可控开关两端电压保持一致，则施加在第一二极管上的电压减小，以保护第一二极管不会过压。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种飞跨电容三电平Boost电路及其控制方法。
背景技术
Boost升压电路因其控制简单，被广泛应用于光伏逆变器的DC/DC侧等场合，对于低压系统，两电平Boost电路可以满足耐压要求，然而，当输入电压较高时，传统的两电平Boost电路电压应力有限，无法工作，若使用较高耐压的器件则可能会增加硬件成本，因此三电平Boost电路得以广泛应用。
图1为现有技术提供的一种飞跨电容三电平Boost电路原理图。如图1所示，二极管D01和二极管D02为钳位二极管，用于钳位飞跨电容Cf的电压，避免第一开关管Q1和第二开关管Q2过压损坏。但是该电路的飞跨电容Cf的电压必须高于输出电压Uo的一半，若飞跨电容Cf的电压低于输出电压Uo的一半，在第一开关管Q1导通时，飞跨电容Cf会通过二极管D01给第一电容C1充电，而在第二开关管Q2导通时，第一电容C1会通过二极管D02给飞跨电容Cf充电，二极管D01和二极管D02长期工作在互相充电的状态下极其容易损坏。此外，由于输出电压和飞跨电容Cf的电压具有波动性，如果要保证飞跨电容Cf的电压高于输出电压Uo的一半，则实际应用中需要令飞跨电容Cf的电压高于一半输出电压更多，这会导致第一开关管Q1的电压应力增大，容易损坏。
发明内容
本申请的目的是提供一种飞跨电容三电平Boost电路，使得飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，保护电路中的器件不会因过电压应力而损坏。
为解决上述技术问题，本申请提供一种飞跨电容三电平Boost电路，包括储能电路、第一二极管、第二二极管、飞跨电容、第一电容和第二电容，所述储能电路包括电感、第一开关管和第二开关管，所述储能电路与输入端连接，所述第一二极管与所述储能电路连接，所述第二二极管分别与所述第一二极管和输出端连接，所述飞跨电容的第一端连接所述第一二极管和所述第二二极管的公共端，所述飞跨电容的第二端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述第一电容和所述第二电容并联在所述输出端的两端，其特征在于，还包括：可控开关；
所述可控开关的第一端与所述飞跨电容的第二端连接，所述可控开关的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述可控开关用于在所述飞跨电容的电压大于第一预设阈值时反向接通，在所述飞跨电容的电压小于第二预设阈值时正向接通，以使所述飞跨电容的电压等于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压；
其中，所述第一预设阈值不小于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压，所述第二预设阈值不大于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压。
优选地，所述可控开关包括第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管；
所述第三开关管的第二端与所述飞跨电容连接，所述第三开关管的第一端与所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述第三二极管的阳极与所述第三开关管的第二端连接，所述第三二极管的阴极与所述第三开关管的第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的第二端连接，所述第四二极管的阴极与所述第四开关管的第一端连接。
优选地，所述第三开关管和所述第四开关管为三极管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
优选地，所述可控开关包括第一继电器、第二继电器、第三二极管和第四二极管；
所述第一继电器的第二端与所述飞跨电容连接，所述第一继电器的第一端与所述第二继电器的第一端连接，所述第二继电器的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述第三二极管的阳极与所述第一继电器的第二端连接，所述第三二极管的阴极与所述第一继电器第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述第二继电器的第二端连接，所述第四二极管的阴极与所述第二继电器的第一端连接。
优选地，还包括第三电容，所述第三电容并联在所述输入端的两端。
优选地，所述飞跨电容为金属膜电容。
优选地，所述第一电容和所述第二电容为电解电容。
为解决上述技术问题，本申请还提供一种飞跨电容三电平Boost电路的控制方法，应用于如所述的飞跨电容三电平Boost电路，包括：
检测飞跨电容的电压；
在所述飞跨电容的电压大于第一预设阈值时，控制可控开关反向接通；
在所述飞跨电容的电压小于第二预设阈值时，控制所述可控开关正向接通。
本申请所提供的飞跨电容三电平Boost电路，可控开关的一端与飞跨电容的第二端连接，可控开关的另一端与第一电容和第二电容的公共端连接，可控开关在其两端的电压不相等时接通。可控开关的第二端的电压恒为输出电压的一半，若飞跨电容的电压小于第二预设阈值，即可控开关的第一端的电压大于可控开关的第二端的电压，此时正向接通可控开关，使得可控开关第一端的电压下降，与第二端的电压保持一致，第二开关管两端的电压减小，飞跨电容第一端的电压等于输出电压，第二端的电压等于第一电容和第二电容的公共端的电压，使得飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，由于第一开关管的电压与飞跨电容的电压相等，即可以保护第一开关管不会过压；若飞跨电容的电压大于第一预设阈值，即可控开关的第一端的电压小于可控开关的第二端的电压，此时反向接通可控开关，使得可控开关两端电压保持一致，由于第一二极管的阳极的电压与可控开关的第一端的电压一致，此处电压增加，而第一二极管的阴极的电压不变，则施加在第一二极管上的电压减小，以保护第一二极管不会过压。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为现有技术提供的一种飞跨电容三电平Boost电路原理图；
图2为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平Boost电路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平Boost电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种飞跨电容三电平Boost电路，使得飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，保护电路中的器件不会因过电压应力而损坏。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
图2为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平Boost电路结构示意图。如图2所示，飞跨电容三电平Boost电路包括储能电路10、第一二极管D1、第二二极管D2、飞跨电容Cf、第一电容C1和第二电容C2，储能电路10包括电感L1、第一开关管Q1和第二开关管Q2，储能电路10与输入端Ui连接，第一二极管D1与储能电路10连接，第二二极管D2分别与第一二极管D1和输出端Uo连接，飞跨电容Cf的第一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的公共端，飞跨电容Cf的第二端连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端，第一电容C1和第二电容C2并联在输出端Uo的两端，其特征在于，还包括：可控开关11；
可控开关11的第一端与飞跨电容Cf的第二端连接，可控开关11的第二端与第一电容C1和第二电容C2的公共端连接；
可控开关11用于在飞跨电容Cf的电压大于第一预设阈值时反向接通，在飞跨电容Cf的电压小于第二预设阈值时正向接通，以使飞跨电容Cf的电压等于第一电容C1和第二电容C2的公共端的电压；
其中，第一预设阈值不小于第一电容C1和第二电容C2的公共端的电压，第二预设阈值不大于第一电容C1和第二电容C2的公共端的电压。
第一开关管Q1的第一端与输入端Ui的第一端连接，第一开关管Q1的第二端与第二开关管Q2的第一端连接，第二开关管Q2的第二端分别与输入端Ui的第二端和输出端Uo的第二端连接，第一二极管D1的阳极与输入端Ui的第一端连接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极与输出端Uo的第一端连接，飞跨电容Cf的第一端连接第一二极管D1和第二二极管D2的公共端，飞跨电容Cf的第二端连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端，第一电容C1的一端与输出端Uo的第二端连接，第一电容C1的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与输出端Uo的第一端连接。
该飞跨电容三电平Boost电路在实际应用时，当第二开关管Q2闭合时，电路通过输入端Ui-电感L1-第一二极管D1-飞跨电容Cf-第二开关管Q2-输入端Ui形成闭合回路对储能元件电感L1进行充电。当第一开关管Q1与第二开关管Q2均闭合时，电路通过输入端Ui-电感L1-第一开关管Q1-第二开关管Q2-输入端Ui形成储能回路。当第一开关管Q1闭合时，电路通过输入端Ui-电感L1-第一开关管Q1-飞跨电容Cf-第二二极管D2-第二电容C2-第一电容C1-输入端Ui形成能量释放回路。当第一开关管Q1与第二开关管Q2均断开时，电路通过输入端Ui-电感L1-第一二极管D1-第二二极管D2-第二电容C2-第一电容C1-输入端Ui形成能量释放回路。
需要说明的是，为便于更好的对本申请提供的飞跨电容三电平Boost电路进行说明，将飞跨电容Cf的第一端与第一二极管D1和第二二极管D2的公共端的连接点设置为A点，将可控开关11的第一端与飞跨电容Cf的第二端的连接点设置为B点，将可控开关11的第二端与第一电容C1和第二电容C2的公共端的连接点设置为C点，将飞跨电容Cf的第二端与第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端连接的连接点设置为D点。
如图2所示，第一电容C1和第二电容C2容值相等，C点电压为输出电压的一半，即第一预设阈值不小于输出电压的一半，第二预设阈值不大于输出电压的一半，具体数值可以根据实际情况具体设定，本申请对此不作限定。
在具体实施中，对飞跨电容Cf和输出端Uo的电压进行检测，根据输出电压对第一预设阈值和第二预设阈值进行设置，当飞跨电容Cf的电压大于第一预设阈值时，控制可控开关11反向接通，当飞跨电容Cf的电压小于第二预设阈值时，控制可控开关11正向接通，以使B点电压等于C点电压，而A点电压等于输出电压，进一步使得飞跨电容Cf的电压稳定在输出电压的一半。
进一步地，飞跨电容Cf为金属膜电容。第一电容C1和第二电容C2为电解电容。金属膜电容的电压稳定性好，温度系数小，能够进一步使得飞跨电容Cf的电压稳定在输出电压的一半，第一电容C1和第二电容C2为也可以采用金属膜电容，电解电容相比于金属膜电容来说成本更低，因此采用电解电容是一种优选地实施方式。
本申请所提供的飞跨电容三电平Boost电路，可控开关的一端与飞跨电容的第二端连接，可控开关的另一端与第一电容和第二电容的公共端连接，可控开关在其两端的电压不相等时接通。可控开关的第二端的电压恒为输出电压的一半，若飞跨电容的电压小于第二预设阈值，即可控开关的第一端的电压大于可控开关的第二端的电压，此时正向接通可控开关，使得可控开关第一端的电压下降，与第二端的电压保持一致，第二开关管两端的电压减小，飞跨电容第一端的电压等于输出电压，第二端的电压等于第一电容和第二电容的公共端的电压，使得飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，由于第一开关管的电压与飞跨电容的电压相等，即可以保护第一开关管不会过压；若飞跨电容的电压大于第一预设阈值，即可控开关的第一端的电压小于可控开关的第二端的电压，此时反向接通可控开关，使得可控开关两端电压保持一致，由于第一二极管的阳极的电压与可控开关的第一端的电压一致，此处电压增加，而第一二极管的阴极的电压不变，则施加在第一二极管上的电压减小，以保护第一二极管不会过压。
在上述实施例的基础上，作为一种优选地实施例，图3为本申请实施例提供的一种飞跨电容三电平Boost电路原理图，如图3所示，可控开关11包括第三开关管Q3、第四开关管Q4、第三二极管D3和第四二极管D4；
第三开关管Q3的第二端与飞跨电容Cf连接，第三开关管Q3的第一端与第四开关管Q4的第一端连接，第四开关管Q4的第二端与第一电容C1和第二电容C2的公共端连接；
第三二极管D3的阳极与第三开关管Q3的第二端连接，第三二极管D3的阴极与第三开关管Q3的第一端连接，第四二极管D4的阳极与第四开关管Q4的第二端连接，第四二极管D4的阴极与第四开关管Q4的第一端连接。
需要说明的是，本实施例中的第三开关管Q3和第三二极管D3可以由一个带有体二极管的绝缘栅双极型晶体管代替，同理，第四开关管Q4和第四二极管D4也可以由一个带有体二极管的绝缘栅双极型晶体管代替。
具体地，第三开关管Q3和第四开关管Q4为三极管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。本申请对此不作限定。
在实际运用中，多路飞跨电容三电平Boost电路是并联工作的，因为多路飞跨电容三电平Boost电路的上电时间有先后，或者某一路飞跨电容三电平Boost电路根本没有连接电池板，这样先上电的飞跨电容三电平Boost电路会在输出端Uo建立起输出电压，而后上电的或没有连接电池板的飞跨电容三电平Boost电路的输入电压及飞跨电容Cf电压基本为零。这时候电路中的第二二极管D2的阳极电位为0V，阴极电位等于输出电压，第二二极管D2承受整个输出电压，会导致其过压损坏。
在具体实施中，在电路工作时会检测输入端Ui的输入电压，飞跨电容Cf的电压和输出端Uo的输出电压。
当有输入电压，则在第一开关管Q1和第二开关管Q2未工作时，输出电压等于输入电压，而飞跨电容Cf的电压为零，闭合第四开关管Q4，输入电压通过电感L1-第一二极管D1-飞跨电容Cf-第三二极管D3-第四开关管Q4给飞跨电容Cf充电，同时输入电压通过电感L1-第一二极管D1-第二二极管D2-第二电容C2-第一电容C1形成充电回路，可以将飞跨电容Cf的电压充到输出电压的一半。此时再正常工作，第一开关管Q1和第二开关管Q2就不会过应力。
当有输出电压，而飞跨电容Cf的电压和输入电压都为零时，此时闭合第三开关管Q3，第一电容C1会通过第四二极管D4-第三开关管Q3-飞跨电容Cf-第一开关管Q1的体二级管-第一二极管D1，将A点电压充至输出电压的一半，此时，第二二极管D2的电压就会被钳位，从而保护第二二极管D2不会过应力。
当正常工作之后，通过检测输入电压，飞跨电容Cf的电压，输出电压进行比较判定，会相应的闭合第三开关管Q3或第四开关管Q4。当第一开关管Q1导通时，检测飞跨电容Cf的电压，将飞跨电容Cf的电压减去输出电压的一半得到差值K，将K与内部设定的基准值Vref进行对比，若K<-Vref时，
闭合第四开关管Q4，钳位飞跨电容Cf的电压，保护第二开关管Q2不会过压；若-Vref<K<Vref时，第三开关管Q3和第四开关管Q4都不动作；若Vref <K时，则闭合第三开关管Q3，钳位飞跨电容Cf的电压，保护第一二极管D1不会过压。
本申请所提供的飞跨电容三电平Boost电路，通过检测输入电压，飞跨电容Cf的电压，输出电压来控制第三开关管和第四开关管来钳位飞跨电容Cf的电压的方式，保护了电路中的器件不会因过应力而损坏。
作为另一种优选地实施例，可控开关11包括第一继电器、第二继电器、第三二极管D3和第四二极管D4；
第一继电器的第二端与飞跨电容Cf连接，第一继电器的第一端与第二继电器的第一端连接，第二继电器的第二端与第一电容C1和第二电容C2的公共端连接；
第三二极管D3的阳极与第一继电器的第二端连接，第三二极管D3的阴极与第一继电器第一端连接，第四二极管D4的阳极与第二继电器的第二端连接，第四二极管D4的阴极与第二继电器的第一端连接。
本实施例中，将上述实施例中的第三开关管Q3替换为第一继电器，将上述实施例中的第四开关管Q4替换为第二继电器，基本原理和实施方式请参照上述实施例，此处不再赘述。
进一步地，还包括第三电容C3，第三电容C3并联在输入端Ui的两端。
在具体实施中，电感L1在存储和释放能量的时候，会导致输入电压有波动，通过第三电容C3来消除这个电压波动，保证输入电压一直稳定。
上述实施中，从硬件结构和连接关系上，对飞跨电容三电平Boost电路进行了详细说明，在此基础上，本申请还提供一种基于上述实施例中的飞跨电容三电平Boost电路的控制方法，包括：
检测飞跨电容Cf的电压；
在飞跨电容Cf的电压大于第一预设阈值时，控制可控开关11反向接通；
在飞跨电容Cf的电压小于第二预设阈值时，控制可控开关11正向接通。
由于方法部分的实施例与电路部分的实施例相互对应，因此方法部分的实施例请参见电路部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本申请所提供的飞跨电容三电平Boost电路的控制方法，可控开关的一端与飞跨电容的第二端连接，可控开关的另一端与第一电容和第二电容的公共端连接，可控开关在其两端的电压不相等时接通。可控开关的第二端的电压恒为输出电压的一半，若飞跨电容的电压小于第二预设阈值，即可控开关的第一端的电压大于可控开关的第二端的电压，此时正向接通可控开关，使得可控开关第一端的电压下降，与第二端的电压保持一致，第二开关管两端的电压减小，飞跨电容第一端的电压等于输出电压，第二端的电压等于第一电容和第二电容的公共端的电压，使得飞跨电容的电压钳位在输出电压的一半，由于第一开关管的电压与飞跨电容的电压相等，即可以保护第一开关管不会过压；若飞跨电容的电压大于第一预设阈值，即可控开关的第一端的电压小于可控开关的第二端的电压，此时反向接通可控开关，使得可控开关两端电压保持一致，由于第一二极管的阳极的电压与可控开关的第一端的电压一致，此处电压增加，而第一二极管的阴极的电压不变，则施加在第一二极管上的电压减小，以保护第一二极管不会过压。
以上对本申请所提供的一种飞跨电容三电平Boost电路及其控制方法进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
Claims (8)
1.一种飞跨电容三电平Boost电路，包括储能电路、第一二极管、第二二极管、飞跨电容、第一电容和第二电容，所述储能电路包括电感、第一开关管和第二开关管，所述储能电路与输入端连接，所述第一二极管与所述储能电路连接，所述第二二极管分别与所述第一二极管和输出端连接，所述飞跨电容的第一端连接所述第一二极管和所述第二二极管的公共端，所述飞跨电容的第二端连接所述第一开关管和所述第二开关管的公共端，所述第一电容和所述第二电容并联在所述输出端的两端，其特征在于，还包括：可控开关；
所述可控开关的第一端与所述飞跨电容的第二端连接，所述可控开关的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述可控开关用于在所述飞跨电容的电压大于第一预设阈值时反向接通，在所述飞跨电容的电压小于第二预设阈值时正向接通，以使所述飞跨电容的电压等于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压；
其中，所述第一预设阈值不小于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压，所述第二预设阈值不大于所述第一电容和所述第二电容的公共端的电压。
2.如权利要求1所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，所述可控开关包括第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管；
所述第三开关管的第二端与所述飞跨电容连接，所述第三开关管的第一端与所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述第三二极管的阳极与所述第三开关管的第二端连接，所述第三二极管的阴极与所述第三开关管的第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的第二端连接，所述第四二极管的阴极与所述第四开关管的第一端连接。
3.如权利要求2所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，所述第三开关管和所述第四开关管为三极管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
4.如权利要求1所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，所述可控开关包括第一继电器、第二继电器、第三二极管和第四二极管；
所述第一继电器的第二端与所述飞跨电容连接，所述第一继电器的第一端与所述第二继电器的第一端连接，所述第二继电器的第二端与所述第一电容和所述第二电容的公共端连接；
所述第三二极管的阳极与所述第一继电器的第二端连接，所述第三二极管的阴极与所述第一继电器第一端连接，所述第四二极管的阳极与所述第二继电器的第二端连接，所述第四二极管的阴极与所述第二继电器的第一端连接。
5.如权利要求3或4所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，还包括第三电容，所述第三电容并联在所述输入端的两端。
6.如权利要求1所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，所述飞跨电容为金属膜电容。
7.如权利要求1所述的飞跨电容三电平Boost电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容为电解电容。
8.一种飞跨电容三电平Boost电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一项所述的飞跨电容三电平Boost电路，包括：
检测飞跨电容的电压；
在所述飞跨电容的电压大于第一预设阈值时，控制可控开关反向接通；
在所述飞跨电容的电压小于第二预设阈值时，控制所述可控开关正向接通。
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- 2021-02-23 CN CN202110201098.7A patent/CN112564483A/zh active Pending
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