CN112688563B - 一种桥式级联系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供的一种桥式级联系统，包括：至少一个相单元及其驱动单元，相单元中包括N个交流侧级联的桥式拓扑，驱动单元包括一个驱动电源电路、多个自举电源电路和2N个驱动电路；相单元中，驱动电源电路直接或通过相应自举电源电路，为各个驱动电路供电；驱动电路用于为相单元中的相应开关管提供驱动信号，从而一个驱动电源与多个自举电源电路匹配，实现对所有桥式拓扑的开关管对应的驱动电路供电，降低桥式级联系统中驱动电源设计的难度，降低系统成本。

Description

一种桥式级联系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种桥式级联系统。
背景技术
对于互补式半桥拓扑，高低压侧的开关管的驱动电路无法共用驱动电源，如高低压侧的功率MOSFET或IGBT。自举式电源是一种使用最为广泛的给高压驱动电路供电的方法。这种自举式电源技术具有简单，且低成本的优点。以图1所示结构为例，介绍自举电源电路基本工作原理如下：
当低压端开关管LS导通、如低压端开关管LS被控制开通或者低压端开关管LS中的反向二极管蓄流，以及，高压端开关管HS断开时，桥臂中点电位Vs拉低。驱动电源Vcc通过自举二极管Dboot和自举电阻Rboot对自举电容Cboot进行充电，如图1中虚线路径所示。当高压端开关管HS导通，中点电位Vs被上拉到高电位时，自举二极管Dboot反向偏置，驱动电源Vcc与高压驱动电路Dr2隔离开，此时高压驱动电路Dr2供电由自举电容Cboot提供，Dr1为低压驱动电路。
但是，在应用该互补式半桥拓扑的系统中，每个互补式半桥拓扑均有各自的自举式电源和驱动电源，使得互补式半桥拓扑复杂、硬件成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种桥式级联系统，用于降低桥式级联系统中驱动电源设计的难度，降低系统成本。
本发明公开了一种桥式级联系统，包括：至少一个相单元及其驱动单元；
所述相单元包括N个交流侧级联的桥式拓扑；N为大于1的整数；
所述驱动单元包括：一个驱动电源电路、多个自举电源电路和2N个驱动电路；
所述相单元中，所述驱动电源电路直接或通过相应所述自举电源电路，为各个所述驱动电路供电；
所述驱动电路用于为所述相单元中的相应开关管提供驱动信号。
可选的，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路并联连接。
可选的，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路依次串联连接。
可选的，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路按各自对应的开关管电位从低到高依次串联连接；串联连接后的电位最低的开关管所对应的自举电源电路的输入端与所述驱动电源电路的输出端相连。
可选的，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路的连接方式为：并联连接与级联连接混合连接。
可选的，N＝2且同一所述相单元中自举电源电路的数量为3，同一所述相单元中3个所述自举电源电路按电位由低到高分别为：第1个自举电源电路、第2个自举电源电路和第3个自举电源电路；同一所述相单元中：
所述第2个自举电源电路与所述第3个自举电源电路串联连接，再与所述第1个自举电源电路并联连接；或者，
所述第1个自举电源电路与所述第3个自举电源电路串联连接，再与所述第2个自举电源电路并联连接；又或者，
所述第1个自举电源电路与所述第2个自举电源电路串联连接，再与所述第3个自举电源电路并联连接；又或者，
所述第2个自举电源电路与所述第3个自举电源电路并联连接，再与所述第1个自举电源电路串联连接；又或者，
所述第1个自举电源电路与所述第3个自举电源电路并联连接，再与所述第2个自举电源电路串联连接。
可选的，所述自举电源电路，包括：自举二极管和自举电容；
所述自举二极管的阴极与所述自举电容的一端相连，连接点作为相应的所述自举电源电路的输出端；
所述自举二极管的阳极作为相应的所述自举电源电路的输入端；
所述自举电容的另一端与相应的开关管的源极相连。
可选的，同一所述相单元中，任两个所述驱动电路复用所述自举电源电路。
可选的，同一所述相单元中，两个所述桥式拓扑中电位较高者的低端驱动电路，与，两个所述桥式拓扑中电位较低者的高端驱动电路，复用所述自举电源电路。
可选的，同一所述相单元内，电位最低的所述桥式拓扑，其所述驱动电路直接与所述驱动电源电路相连。
可选的，N大于等于3。
可选的，所述桥式拓扑为互补式半桥拓扑、互补式全桥拓扑和Buck-boost拓扑中的一种。
可选的，同一所述相单元内，各个所述桥式拓扑的交流侧共源极级联，或者，各个所述桥式拓扑的交流侧共漏极级联。
可选的，还包括：控制器；
所述控制器用于通过各个所述驱动电路控制每个所述相单元中各个所述桥式拓扑处于相应的工作模式。
可选的，所述控制器在控制每个所述相单元中各个所述桥式拓扑处于相应的工作模式时，具体用于：
控制同一所述相单元中各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种；所述假直通工作模式下相应所述桥式拓扑中的低端开关管间隙性导通。
可选的，所述控制器控制各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种时，具体用于：
所述控制器控制同一所述相单元中各个所述桥式拓扑均处于斩波工作模式或假直通工作模式，以使在一个周期内相应所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
可选的，针对同一相单元中存在至少两个自举电路并联连接时，相应的所述桥式拓扑之间的波形不完全重合，以使在一个周期内相应所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
可选的，所述控制器控制各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种时，具体用于：
所述控制器控制同一所述相单元中，至少一个所述桥式拓扑处于斩波工作模式，至少一个所述桥式拓扑处于假直通工作模式，以使在一个周期内相应的所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
可选的，各个所述桥式拓扑的交流侧共漏极级联时，同一所述相单元中，相邻两个桥式拓扑的高端开关管不同时导通。
从上述技术方案可知，本发明提供的一种桥式级联系统，包括：至少一个相单元及其驱动电路，相单元中包括N个交流侧级联的桥式拓扑，驱动电路包括一个驱动电源电路、多个自举电源电路和2N个驱动电路；相单元中，驱动电源电路直接或通过相应自举电源电路，为各个驱动电路供电；驱动电路用于为相单元中的相应开关管提供驱动信号，从而一个驱动电源与多个自举电源电路匹配，实现对所有桥式拓扑的开关管对应的驱动电路供电，降低桥式级联系统中驱动电源设计的难度，降低系统成本。
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是现有技术提供的一种桥式拓扑的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种桥式级联系统的示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图10是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图11是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图12是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图13是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统的示意图；
图14是本发明实施例提供的一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图15是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图16是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图17是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图18是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图19是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图；
图20是本发明实施例提供的另一种桥式级联系统中桥式拓扑中点电位电压的示意图。
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桥式级联系统，用于解决现有技术中，在应用该桥式拓扑的系统内，每个桥式拓扑均有各自的自举式电源和驱动电源，使得桥式拓扑复杂、硬件成本较高的问题。
参见图2，该桥式级联系统，包括：至少一个相单元及其驱动单元。
相单元包括：N个交流侧级联的桥式拓扑；N为大于1的整数。
需要说明的是，桥式拓扑为互补式半桥拓扑、互补式全桥拓扑和Buck-boost拓扑中的一种；当然也不排除为其他拓扑，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
下面以桥式拓扑为互补式半桥拓扑为例进行说明，每个桥式拓扑中包括两个串联连接的开关管，第1个开关管的漏极与桥式拓扑的输入端正极相连，该第1个开关管的源极与第2个开关管的漏极相连，第2个开关管的源极与桥式拓扑的输入端负极相连。此时，第1个开关管为高端开关管，第2个开关管为低端开关管，相应的，与高端开关管对应的驱动电路为高端驱动电路，与低端开关管对应的驱动电路为低端驱动电路。本申请图2-图20均是以桥式拓扑为互补式半桥拓扑为例进行展示的，在桥式拓扑为其他拓扑，如互补式全桥拓扑和Buck-boost拓扑时，其具体结构及相应的控制原理与图2-图20所示的相似，本申请不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，桥式级联系统中相单元的个数大于等于2时，各个相单元可以完全相同，也可以不完全相同，此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。
驱动单元包括：一个驱动电源电路、多个自举电源电路和2N个驱动电路。
相单元中，驱动电源电路直接或通过相应自举电源电路，为各个驱动电路供电；也即，驱动电源电路可以实现跨桥式拓扑给相应的驱动电路供电。驱动电路用于为相单元中的相应开关管提供驱动信号。
具体的，如图2所示，N＝2，且图2仅以桥式级联系统中相单元的个数为1为例进行说明。
驱动电源电路Vcc直接为驱动电路Dr1供电，该驱动电路Dr1用于为开关管S1提供驱动信号；驱动电源电路Vcc通过自举电源电路(包括如图2所示的Dboot2和Cboot2)为驱动电路Dr2供电，该驱动电路Dr2用于为开关管S2提供驱动信号；驱动电源电路Vcc通过自举电源电路(包括如图2所示的Dboo3t和Cboot3)为驱动电路Dr3供电，该驱动电路Dr3用于为开关管S3提供驱动信号；驱动电源电路Vcc通过自举电源电路(包括如图2所示的Dboot4和Cboot4)为驱动电路Dr4供电，该驱动电路Dr4用于为开关管S4提供驱动信号。
当然，N可以为其他数值，或，桥式级联系统中相单元的个数也可以为其他值，其具体结构与图2所示的结构相似，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。实际应用中，各个自举电源电路中，还可以包括与相应二极管串联的电阻，其个数及阻值在此处均不做具体限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
在本实施例中，桥式级联系统中一个驱动电源与多个自举电源电路匹配，实现对所有桥式拓扑的开关管对应的驱动电路供电，降低桥式级联系统中驱动电源设计的难度，降低系统成本。
在实际应用中，同一相单元内的各个自举电源电路有多种连接关系，其可以采用串联连接和并联连接中的至少一种，下面分别对同一相单元内的各个自举电源电路采用并联连接、串联连接以及串并混合连接进行说明：
(1)同一相单元内，各个自举电源电路并联连接。
各个自举电源电路的输入端分别与驱动电路的输出端相连。
具体的，参见图3，其以N＝2，且自举电源电路的个数为3为例进行说明，包括如图,3所示的Cboot2和Dboot2的自举电源电路为第1个自举电源电路，包括如图3所示的Cboot3和Dboot3的自举电源电路为第2个自举电源电路，包括如图3所示的Cboot4和Dboot4的自举电源电路为第3个自举电源电路。
第1个自举电源电路的输入端、第2个自举电源电路的输入端和第3个自举电源电路的输入端分别与驱动电源电路Vcc的输出端相连；第1个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr2的输入端相连，第2个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr3的输入端相连，第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连；驱动电源电路Vcc的输出端还直接与驱动电路Dr1的输入端相连。
也就是说，每个自举电源电路的输入端均直接与驱动电路Vcc的输出端相连。
(2)同一相单元内，各个自举电源电路依次串联连接。
需要说明的是，各个自举电源电路按照相应的顺序依次串联，例如，同一相单元内，自举电源电路的个数为3个，分别为第1个自举电源电路、第2个自举电源电路和第3个自举电源电路；具体的，连接顺序可以为以下任意一种：驱动电源电路-第1个自举电源电路-第2个自举电源电路-第3个自举电源电路；驱动电源电路-第2个自举电源电路-第1个自举电源电路-第3个自举电源电路；当然也不排除为其他连接顺序，但是为了保证自举电源电路的耐压问题，优选上述两种连接顺序。
各个自举电源电路依次串联连接的具体连接关系，此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。
在实际应用中，同一相单元内，各个自举电源电路按各自对应的开关管电位从低到高依次串联连接；串联连接后的电位最低的开关管所对应的自举电源电路的输入端与与驱动电源电路的输出端相连。
参见图2，为了便于说明，包括如图2所示的Cboot2和Dboot2的自举电源电路为第1个自举电源电路，包括如图2所示的Cboot3和Dboot3的自举电源电路为第2个自举电源电路，包括如图2所示的Cboot4和Dboot4的自举电源电路为第3个自举电源电路。
第1个自举电源电路的输入端、驱动电路Dr1的输入端均与驱动电源电路Vcc的输出端相连，第1个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr2的输入端和第2个自举电源电路的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr3的输入端和第2个自举电源电路的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连。
(3)同一相单元内，各个自举电源电路的连接方式为：并联连接与级联连接混合连接。
各个自举电源电路所采用的并联连接与级联连接混合连接所构成的连接关系有多种，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
在此，以N＝2且同一相单元中自举电源电路的数量为3，同一相单元中3个自举电源电路按电位由低到高分别为：第1个自举电源电路(包括Cboot2和Dboot2)、第2个自举电源电路(包括Cboot3和Dboot3)和第3个自举电源电路(包括Cboot4和Dboot4)，为例进行说明。
在N＝2且同一相单元中自举电源电路个数为3时，存在6种混合方案，但是由于第1个自举电源电路与第2个自举电源电路并联后与第3个自举电源电路串联这种组合存在高压直接对第1个自举电源电路和第2个自举电源电路中自举电容充电的风险不可采用，其余5种方案为：
1、如图4所示，第2个自举电源电路与第3个自举电源电路串联连接，再与第1个自举电源电路并联连接。
具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第1个自举电源电路的输入端、第2个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr2的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr3的输入端和第3个自举电源电路的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连。
2、如图5所示，第1个自举电源电路与第3个自举电源电路串联连接，再与第2个自举电源电路并联连接。
具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第1个自举电源电路的输入端、第2个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr3的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr2的输入端和第3个自举电源电路的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连。
3、如图6所示，第1个自举电源电路与第2个自举电源电路串联连接，再与第3个自举电源电路并联连接。
具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第1个自举电源电路的输入端、第3个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr2的输入端和第2个自举电源电路的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr3的输入端相连。
4、如图7所示，第2个自举电源电路与第3个自举电源电路并联连接，再与第1个自举电源电路串联连接。
具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第1个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr2的输入端、第2个自举电源电路的输入端和第3个自举电源电路的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr3的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连。
5、如图8所示，第1个自举电源电路与第3个自举电源电路并联连接，再与第2个自举电源电路串联连接。
具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第2个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr3的输入端、第3个自举电源电路的输入端和第1个自举电源电路的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr2的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连。
上述说明均以N＝2为例进行说明，而在N大于等于3时，与上述结构相似，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
在N＝3时，其连接关系有多种，此处对其中一种进行说明。
假定同一相单元中自举电源电路的个数为5个，按电位由低到高分别为：第1个自举电源电路(包括如图9所示的Cboot2和Dboot2)、第2个自举电源电路(包括如图9所示的Cboot3和Dboot3)、第3个自举电源电路(包括如图9所示的Cboot4和Dboot4)、第4个自举电源电路(包括如图9所示的Cboot5和Dboot5)和第5个自举电源电路(包括如图9所示的Cboot6和Dboot6)。
如图9所示，具体的，驱动电源电路Vcc的输出端，分别与第1个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr1的输入端相连；第1个自举电源电路的输出端分别与驱动电路Dr2的输入端、第2个自举电源电路的输入端相连；第2个自举电源电路的输出端分别与第3个自举电源电路的输入端、第4个自举电源电路的输入端、第5个自举电源电路的输入端和驱动电路Dr2的输入端相连；第3个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr4的输入端相连；第4个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr5的输入端相连；第5个自举电源电路的输出端与驱动电路Dr6的输入端相连。
需要说明的是，随着自举电源电路数量的增加其级联与并联混合式自举供电电路方案可能性也增加，也即，N越大对应的自举电源电路组合的可能性也越多。
N为3的情况下，各个自举电源电路的其他连接关系，以及N为其他值的情况下，各个自举电源电路的连接关系，此处不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，如图2-图9所示，其图中用自举二极管与自举电容示意自举电源电路原理，不代表实际电路，其具体结构此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。
在本实施例中，通过同一相单元中各个自举电源电路的组合型式，可以方便器件选型，优化设计。
需要说明的是，在N＝2时，第1个桥式拓扑的高端开关管与第2个桥式拓扑的低端开关管共源级，其对应的自举电源电路可以共地，甚至采用同一路自举电源电路。从该角度出发，在桥式级联系统中，两个驱动电路可以复用一路自举电源电路进而减少器件的数量，尤其是自举二极管，甚至自举电容；同时简化自举电源部分，但需要注意相应的自举二极管反向电压应力，自举电容的电荷支撑能力随之调整。
在上述任一实施例中，同一相单元中，任两个驱动电路复用自举电源电路。
也就是说，同一相单元中自举电源电路的个数小于2N-1；如N＝3时，同一相单元中自举电源电路的个数为2或1个。需要说明的是，每两个驱动电路复用自举电源电路，则在2N-1的基础之上减1。
具体的，同一相单元中，两个桥式拓扑中电位较高者的低端驱动电路，与，两个桥式拓扑中电位较低者的高端驱动电路，复用自举电源电路。
对于图3所示的结构，第1个自举电源电路的自举电容Cboot2与第2个自举电源电路的自举电容Cboot3复用第1个自举电源电路的自举二极管Dboot2，第2个自举电源电路的自举二极管Dboot3可以省去。更进一步的可以只采用一路自举电容，级联式自举供电方案复用如图10所示。
参见图10，以N＝2为例，驱动电路Dr3和驱动电路Dr2复用第1个自举电源电路(包括如图10所示的Cboot2和Dboot2)；也即，第1个自举电源电路的输出端分别直接与驱动电路Dr3的输入端和驱动电路Dr2的输入端相连。
对于图4所示的结构，第1个自举电源电路的自举电容Cboot2与第2个自举电源电路的自举电容Cboot3同样可以复用一路自举二极管Dboot2，自举二极管Dboot3可以省去。更进一步的也可以只采用一路自举电容(未进行图示)。
对于N＝2的桥式级联系统，在各个自举电源电路级联与并联混合连接时的自举供电电路方案中，由于减少了一路自举电源电路，仅剩2个自举电源电路，也即其仅有级联或并联一种形式，因此对于N＝2，且存在复用自举电源电路时，不存在混合式方案。
在复用自举电源电路后，自举电源电路大于2个时，仍然存在级联与并联混合方案的可行性，对于图9所示系统，其复用自举电源电路后可简化为图11所示。
参见图11，以N＝3为例，驱动电路Dr3和驱动电路Dr2复用第1个自举电源电路(包括如图10所示的Cboot2和Dboot2)；也即，第1个自举电源电路的输出端分别直接与驱动电路Dr3的输入端和驱动电路Dr2的输入端相连。同时，驱动电路Dr5和驱动电路Dr4复用第2个自举电源电路(包括如图10所示的Cboot4和Dboot4)；也即，第2个自举电源电路的输出端分别直接与驱动电路Dr4的输入端和驱动电路Dr5的输入端相连。
需要说明的是，其他情况的复用，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，通过采用自举电源电路代替多路隔离电源以及复用自举电源电路的方式，可以简化系统，减少器件使用，降低桥式级联系统的成本。
上述实施例图2-图11均以同一相单元内，各个桥式拓扑的交流侧共源极级联进行展示；而在各个桥式拓扑除上述共源极级联方式外，还存在其他级联方式在实际应用中，如共漏极级联。
也就是说，同一相单元内，各个桥式拓扑的交流侧共源极或共漏极级联。
具体的，如图2-图11所示，同一相单元内，各个桥式拓扑的交流侧共源极级联；以图2所示结构为例，第2个桥式拓扑中开关管S3的源极与第1个桥式拓扑中开关管S2的源极相连。
如图12和图13所示，同一相单元内，各个桥式拓扑的交流侧共漏极级联；以图13所示结构为例，第1个桥式拓扑中开关管S2的漏极与第2个桥式拓扑中开关管S3的漏极相连。
在上述任一实施例中，自举电源电路，包括：自举二极管(如图2所示的Dboot2、Dboot3或Dboot4)和自举电容(如图2所示的Cboot2、Cboot3或Cboot4)。
自举二极管的阴极与自举电容的一端相连，连接点作为相应的自举电源电路的输出端；自举二极管的阳极作为相应的自举电源电路的输入端；自举电容的另一端与相应的开关管的源极相连。
以第1个自举电源电路为例，如图2所示，自举二极管Dboot2的阴极与自举电容Cboot2的一端相连，连接点作为第1个自举电源电路的输出端；自举二极管Dboot2的阳极作为第1个自举电源电路的输入端；自举电容Cboot2的另一端与开关管S1的源极相连。
在上述任一实施例中，同一相单元内，电位最低的桥式拓扑，其驱动电路直接与驱动电源电路相连。如图2所示，驱动电路Dr1的输入端直接与驱动电源电路Vcc的输出端相连。
需要说明的是，各个自举电源电路采用并联连接时与各个自举电源电路采用串联连接时的主要区别在于：自举电容电荷刷新时序不同以及自举二极管的反向电压应力不同。对于各个自举电源电路采用并联连接时，当自举二极管反偏，反向耐压由其所在驱动电路到驱动电源电路Vcc的电压决定，意味着每个自举二极管反向耐压均不同，且越向上耐压越高。而对于各个自举电源电路采用串联连接时，当自举二极管反偏，反向耐压由其所在驱动电路到上一级驱动电路的压差决定。相应的，可以通过综合考虑器件选型以及成本因素，确定各个自举电源电路采用串联连接、并联连接还是串联连接和并联连接混合连接的方案。
对于图2所示的各个自举电源电路串联连接的桥式级联系统，第2个桥式拓扑的负母线接到第1个桥式拓扑的桥臂中点，也即，开关管S2与开关管S3共源极。第1个桥式拓扑的低端开关管S1单独由驱动电源电路Vcc供电，其他开关管(如图2所示的S2、S3和S4)均由驱动电源电路Vcc经相应的自举电源电路供电，且各个自举电源电路之间级联，也即各个自举电源电路串联连接。开关管S2、开关管S3对应的自举电容充电条件为Vs1电位拉低，一般由开关管S1导通来将Vs1电位拉低；S4对应的自举电容充电条件为Vs2拉低，一般由开关管S3导通来将Vs2电位拉低。非充电时间内，自举二极管反偏，各自举电容与驱动电源Vcc断开，单独对其所对应的驱动电路供电。
对于图3所示的各个自举电源电路并联连接的互补式半桥系统的结构中，其自举电源电路的供电方案，主要区别在于各自举电源电路并联。
具体的，如图3所示，开关管S2、开关管S3对应的自举电容充电条件为Vs1电位拉低。但是对开关管S4的自举电容Cboot4，为了使自举二极管Dboot4正偏，Vs2电位需要下拉到驱动电源电路Vcc的接地端，即Vin-，因此，其充电条件为Vs1电位与Vs2电位同时拉低。根据第2个桥式拓扑与第1个桥式拓扑的工作状态同样可以分为4种，受各自举电容充电条件的改变，自举电容充电时序上有所变动，这也意味着硬件上自举电容的支撑能力随之调整。
在上述任一实施例中，互补式半桥及联系统还包括：控制器。
控制器用于通过各个驱动电路控制每个相单元中各个桥式拓扑处于相应的工作模式。
在实际应用中，控制同一相单元中各个桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种；假直通工作模式下相应桥式拓扑中的低端开关管间隙性导通。在假直通工作模式下，相应桥臂中点电位切换时的自举电容刷新时序如图20所示。D为相应桥式拓扑中高端开关管的占空比，fss为假直通工作模式下的状态切换频率；Vin为相应桥式拓扑的输入电压；Vs为相应桥臂中点电位电压。
下面分别对三种情况进行说明：
(1)控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于斩波工作模式或假直通工作模式，以使在一个周期内相应相单元中各个自举电源电路充电。
需要说明的是，同一相单元中存在至少两个自举电路并联连接时，相应桥式拓扑之间的斩波波形不完全重合，以使在一个周期内相应相单元中各个自举电源电路充电。同一相单元中存在各个自举电路依次串联连接时，各个桥式拓扑之间的斩波波形可以完全重合，也可以不完全重合；此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。
具体的，控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于斩波工作模式，并且控制相应的相单元中各个桥式拓扑之间的斩波波形不完全重合，以使在一个周期内相应相单元中各个自举电源电路充电；或者，控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于假直通工作模式，并且控制相应的相单元中各个桥式拓扑之间的斩波波形不完全重合，以使在一个周期内相应相单元中各个自举电源电路充电。
更为详细的，控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于假直通工作模式，以使在一个周期内相应的所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
需要说明的是，相应的相单元中，电位高的桥式拓扑的占空比可以比电位低的桥式拓扑的占空比大；电位高的桥式拓扑的占空比也可以比电位低的桥式拓扑的占空比小，此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。
在各个自举电源电路串联连接时，控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于斩波工作模式或假直通工作模式的具体过程为有多种，下面以N＝2且同一相单元中自举电源电路个数为3进行说明。
第1个桥式拓扑和第2个桥式拓扑处于假直通工作模式。
具体的，在第1个桥式拓扑和第2个桥式拓扑的高端开关管均有直通需求时，均采用假直通工作模式代替直通工作模式，实现对自举电容的电荷刷新，各自举电容电荷刷新条件同第一种工作状态，其时序特例如14时序所示。非充电时间内，各自举电容的电压要能够支撑各自驱动电路正常工作，低阶自举电容向高阶自举电容充电时需要具有一定的电荷支撑能力。
第1个桥式拓扑和第2个桥式拓扑处于斩波工作模式。
具体的，如图2所示，开关管S1单独由驱动电源电路Vcc提供。当开关管S1导通时，驱动电源电路Vcc对自举电容Cboot2与自举电容Cboot3充电。当开关管S3导通时，此时若S1导通，则驱动电源电路Vcc也对自举电容Cboot4充电，若开关管S2导通，则自举电容Cboot2与自举电容Cboot3对自举电容Cboot4充电。图15示意了第1个桥式拓扑和第2个互补式半桥拓的桥臂中点电位切换时的自举电容刷新时序特例。第1个桥式拓扑和第2个互补式半桥拓可以不同频，但非充电时间内，自举电容的电压要能够支撑驱动电路正常工作，尤其是低阶自举电容向高阶自举电容充电时需要具有一定的电荷支撑能力。
(2)控制器控制同一相单元中，至少一个桥式拓扑处于斩波工作模式，至少一个桥式拓扑处于假直通工作模式，以使在一个周期内相应的相单元中各个自举电源电路充电。
在各个自举电源电路串联连接时，控制器控制同一相单元中各个桥式拓扑均处于斩波工作模式或假直通工作模式的具体过程为有多种，下面以N＝2且同一相单元中自举电源电路个数为3进行说明。
第1个桥式拓扑处于斩波工作模式，第2个桥式拓扑处于假直通工作模式。
具体的，如图2所示，当第2个桥式拓扑中的高端开关管有直通需求时，采用假直通工作模式代替直通工作模式，实现对自举电容的电荷刷新。第2个桥式拓扑处于假直通工作模式下切换到低端开关管导通的主要目的，就是为了实现对自举电容Cboot4的充电，各自举电容电荷刷新条件同上(1)中的模式，各自举电容刷新时序特例如图16所示。同样的非充电时间内，各自举电容的电压要能够支撑各自驱动电路正常工作，低阶自举电容向高阶自举电容充电时需要具有一定的电荷支撑能力。
第1个桥式拓扑处于假直通工作模式，第2个桥式拓扑处于斩波工作模式。
具体的，如图2所示，第1个桥式拓扑中的高端开关管有直通需求时，同样采用上述假直通工作模式代替直通工作模式，实现对自举电容的电荷刷新，各自举电容电荷刷新条件与上述情况相似，其时序特例如图17所示。开关管S1导通时间短，需要注意在非充电时间内，各自举电容的电压均能够支撑各自驱动电路正常工作，低阶自举电容向高阶自举电容充电时需要具有一定的电荷支撑能力。
需要说明的是，桥式级联系统为如图3所示的结构，也即各个自举电源电路并联连接时，对于第2个桥式拓扑与第1个桥式拓扑均处于斩波工作模式时，时序由图15变为图18所示的时序图，其他工作模式下，相关时序同样可以参考图16、图17、图14加以分析，这里就不在赘述，均在本申请的保护范围内。
在桥式级联系统中各个自举电源电路串联连接和并联连接混合连接时，同样可以根据各自举电容充电条件以及第1个桥式拓扑与第2个桥式拓扑的工作模式分情况讨论，这里不在赘述，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，图2-图20中，Vin、Vin1、Vin2和Vin3均为相应桥式拓扑的输入端电压，Vin1+、Vin1-、Vin2+、Vin2-和Vin3+、Vin3-为相应桥式拓扑的输入端相应极电压；Vs、Vs1、Vs2和Vs3为相应桥式拓扑桥臂中点电位。
上述均以同一相单元内各个桥式拓扑共源极级联的情况进行说明，在此，针对同一相单元内各个桥式拓扑共漏极级联的供电关系进行说明。
需要说明的是，同一相单元内各个桥式拓扑共漏极级联时，同一所述相单元中，相邻两个桥式拓扑的高端开关管不同时导通，以避免相应自举电容所承受的电压过大。
具体的，如图13所示，当开关管S1导通时，驱动电源电路Vcc通过自举二极管Dboot2对自举电容Cboot2充电，自举二极管Dboot3与自举二极管Dboot4反偏。当开关管S2导通时，自举二极管Dboot2反偏，此时如果开关管S3导通，则自举二极管Dboot3与自举二极管Dboot4均正偏，自举电容Cboot2对自举电容Cboot3与自举电容Cboot4充电，自举电容Cboot2具有足够的电荷支撑能力；反之如果开关管S4导通，Vs1电位被上拉到Vin2的正母线，自举电容Cboot3会承受Vin2的输入电压，显然是不可取的。
因此，可选方案为：
方案一：控制开关管S2与开关管S4不同时导通，可能的时序波形如图19所示。
方案二：对自举电容Cboot3单独设计自举电源电路，在开关管S4导通时自动与自举电容Cboot2断开。
对于上述级联方式，各个桥式拓扑之间自举供电电路的型式还有很多，上述仅为一特例。
对于其他级联方式，甚至是不同类型的功率器件，如PMOS管，IGBT管等，均可采用本专利提供的思路设计桥式级联系统。其具体型式可以采用共源极级联系统的分析过程逐一分析，这里不再赘述，均在本申请的保护范围内。
本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，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 (19)

1.一种桥式级联系统，其特征在于，包括：至少一个相单元及其驱动单元；
所述相单元包括N个交流侧级联的桥式拓扑；N为大于1的整数；
所述驱动单元包括：一个驱动电源电路、多个自举电源电路和2N个驱动电路；
所述相单元中，所述驱动电源电路直接或通过相应所述自举电源电路，为各个所述驱动电路供电；
所述驱动电路用于为所述相单元中的相应开关管提供驱动信号；
当N＝2且同一所述相单元中自举电源电路的数量为3，同一所述相单元中3个所述自举电源电路按电位由低到高分别为：第1个自举电源电路、第2个自举电源电路和第3个自举电源电路，同一所述相单元中的第2个自举电源电路与第3个自举电源电路串联连接，再与第1个自举电源电路并联连接。
2.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路并联连接。
3.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路依次串联连接。
4.根据权利要求3所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路按各自对应的开关管电位从低到高依次串联连接；串联连接后的电位最低的开关管所对应的自举电源电路的输入端与所述驱动电源电路的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，各个所述自举电源电路的连接方式为：并联连接与级联连接混合连接。
6.根据权利要求5所述的桥式级联系统，其特征在于，N＝2且同一所述相单元中自举电源电路的数量为3，同一所述相单元中3个所述自举电源电路按电位由低到高分别为：第1个自举电源电路、第2个自举电源电路和第3个自举电源电路；同一所述相单元中还包括：
所述第1个自举电源电路与所述第3个自举电源电路串联连接，再与所述第2个自举电源电路并联连接；或者，
所述第1个自举电源电路与所述第2个自举电源电路串联连接，再与所述第3个自举电源电路并联连接；又或者，
所述第2个自举电源电路与所述第3个自举电源电路并联连接，再与所述第1个自举电源电路串联连接；又或者，
所述第1个自举电源电路与所述第3个自举电源电路并联连接，再与所述第2个自举电源电路串联连接。
7.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，所述自举电源电路，包括：自举二极管和自举电容；
所述自举二极管的阴极与所述自举电容的一端相连，连接点作为相应的所述自举电源电路的输出端；
所述自举二极管的阳极作为相应的所述自举电源电路的输入端；
所述自举电容的另一端与相应的开关管的源极相连。
8.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元中，任两个所述驱动电路复用所述自举电源电路。
9.根据权利要求8所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元中，两个所述桥式拓扑中电位较高者的低端驱动电路，与，两个所述桥式拓扑中电位较低者的高端驱动电路，复用所述自举电源电路。
10.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，电位最低的所述桥式拓扑，其所述驱动电路直接与所述驱动电源电路相连。
11.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，N大于等于3。
12.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，同一所述相单元内，各个所述桥式拓扑的交流侧共源极级联，或者，各个所述桥式拓扑的交流侧共漏极级联。
13.根据权利要求1所述的桥式级联系统，其特征在于，所述桥式拓扑为互补式半桥拓扑、互补式全桥拓扑和Buck-boost拓扑中的一种。
14.根据权利要求1-13任一项所述的桥式级联系统，其特征在于，还包括：控制器；
所述控制器用于通过各个所述驱动电路控制每个所述相单元中各个所述桥式拓扑处于相应的工作模式。
15.根据权利要求14所述的桥式级联系统，其特征在于，所述控制器在控制每个所述相单元中各个所述桥式拓扑处于相应的工作模式时，具体用于：
控制同一所述相单元中各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种；所述假直通工作模式下相应所述桥式拓扑中的低端开关管间隙性导通。
16.根据权利要求15所述的桥式级联系统，其特征在于，所述控制器控制各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种时，具体用于：
所述控制器控制同一所述相单元中各个所述桥式拓扑均处于斩波工作模式或假直通工作模式，以使在一个周期内相应所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
17.根据权利要求16所述的桥式级联系统，其特征在于，同一相单元中存在至少两个自举电路并联连接时，相应的所述桥式拓扑之间的波形不完全重合，以使在一个周期内相应所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
18.根据权利要求15所述的桥式级联系统，其特征在于，所述控制器控制各个所述桥式拓扑处于斩波工作模式和假直通工作模式中的一种时，具体用于：
所述控制器控制同一所述相单元中，至少一个所述桥式拓扑处于斩波工作模式，至少一个所述桥式拓扑处于假直通工作模式，以使在一个周期内相应的所述相单元中各个所述自举电源电路充电。
19.根据权利要求14所述的桥式级联系统，其特征在于，各个所述桥式拓扑的交流侧共漏极级联时，同一所述相单元中，相邻两个桥式拓扑的高端开关管不同时导通。
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