CN113131738B - 直流/直流变换器及其控制方法 - Google Patents

直流/直流变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种直流/直流变换器的控制方法与相关的直流/直流变换器,控制方法通过检测第一电压和第二电压的差值，若第一电压和第二电压的差值的绝对值大于等于预设值时，根据第一电压和第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，重新选择一电平状态时各个开关元件的期望工作状态，进而输出控制信号使第一电容和第二电容上的电压差减小，从而有效调节直流/直流变换器的中点电位平衡。

Description

直流/直流变换器及其控制方法
技术领域
本公开涉及电源技术领域，尤其涉及一种直流/直流变换器的控制方法与相关的直流/直流变换器。
背景技术
高压直流/直流变换器是一些大功率直流变换系统中的关键部分，被广泛应用在大功率储能功率调节系统、新能源储能系统、电动汽车充电装置、轨道交通配电系统中，为减小导线损耗和成本、提高电压等级、减少级联单元数目，高压直流/直流变换器通常借助三电平电路来实现高压输入。受硬件参数不一致等因素影响，三电平电路的中点电位会出现不平衡现象，影响器件安全和变换器的正常运行，须对中点电位进行平衡控制。
因此，需要一种能够对直流/直流变换器进行中点电位调节(中点平衡)的直流/直流变换器控制方法。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开提供一种直流/直流变换器的控制方法与直流/直流变换器的控制装置，用于调节直流/直流变换器的中点电位平衡。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种直流/直流变换器的控制方法，应用于直流/直流变换器，所述直流/直流变换器包括第一开关电路，所述第一开关电路包括：耦接于第一节点的第一电容和第二电容，所述第一电容的第二端耦接于第二节点，所述第二电容的第二端耦接于第三节点；所述第一开关电路还包括耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一桥臂、耦接在所述第一节点和所述第三节点之间的第二桥臂，所述第一桥臂包括耦接于第四节点的第一开关元件和第二开关元件，所述第二桥臂包括耦接于第五节点的第三开关元件和第四开关元件；所述直流/直流变换器还包括电连接于所述第四节点和所述第五节点的第一无源网络；
所述方法包括：
输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号分别至所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的控制端，其中，所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号均为具有预设周期的方波信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号互补，所述第三控制信号与所述第四控制信号互补，一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
检测所述第一电容两端的第一电压以及所述第二电容两端的第二电压；
根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
在本公开的示例性实施例中，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络；或者，所述第二无源网络仅包括电容。
在本公开的示例性实施例中，所述直流/直流变换器为双向直流/直流变换器。
在本公开的示例性实施例中，所述直流/直流变换器为非隔离型电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络还包括原边绕组与所述第二无源网络电连接的变压器，所述直流/直流变换器还包括与所述变压器的副边绕组电连接的第二开关电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络还包括第三无源网络，所述第三无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述第二开关电路之间，所述第三无源网络包括电感、电容或者电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
在本公开的示例性实施例中，所述第二开关电路为全桥整流电路或全波整流电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第二开关电路包括耦接于第十节点的第三电容和第四电容，所述第三电容的第二端耦接于第十一节点，所述第四电容的第二端耦接于第十二节点；所述第二开关电路还包括耦接在所述第十一节点和所述第十节点之间的第三桥臂、耦接在所述第十二节点和所述第十节点之间的第四桥臂，所述第三桥臂包括耦接于第十三节点的第五开关元件和第六开关元件，所述第四桥臂包括耦接于第十四节点的第七开关元件和第八开关元件，所述副边绕组电连接于所述第十三节点和所述第十四节点。
在本公开的示例性实施例中，所述方法还包括：
输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号以及第八控制信号至所述第五开关元件、第六开关元件、第七开关元件以及第八开关元件的控制端，其中，所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号均具有预设周期的方波信号，所述第五控制信号与所述第六控制信号互补，所述第七控制信号与所述第八控制信号互补；一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第五开关元件和所述第七开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第六开关元件和所述第八开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
检测所述第三电容两端的第三电压以及所述第四电容两端的第四电压；
根据所述第三电压与所述第四电压的差值以及一电平状态时所述副边绕组上的电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中，所述第一开关电路的调制模式包括0/1两电平调制，1/2两电平调制或者0/1/2三电平调制中的任意一种或组合。
根据本公开的第二方面，提供一种直流/直流变换器，包括：第一开关电路，所述第一开关电路包括：第一电容、第二电容、第一桥臂以及第二桥臂；其中，
所述第一电容，第一端耦接于第一节点，第二端耦接于第二节点；
所述第二电容，第一端耦接于所述第一节点，第二端耦接于第三节点；
所述第一桥臂，耦接在所述第一节点和所述第二节点之间，包括耦接于第四节点的第一开关元件和第二开关元件；
所述第二桥臂，耦接在所述第一节点和所述第三节点之间，包括耦接于第五节点的第三开关元件和第四开关元件；
所述直流/直流变换器还包括：第一无源网络，电连接于所述第四节点和所述第五节点；
所述直流/直流变换器还包括：控制模块，耦接于所述第一电容、所述第二电容、所述第一桥臂和所述第二桥臂，设置为：
输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号至所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的控制端，其中，所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号均为具有预设周期的方波信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号互补，所述第三控制信号与所述第四控制信号互补，一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
所述控制模块包括：检测单元，用于检测所述第一电容两端的第一电压和所述第二电容两端的第二电压；
开关元件工作状态确定单元，用于根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，确定所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态；
控制信号输出单元，用于根据选择的所述一电平状态时所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态，输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中，所述控制信号输出单元，具体用于若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则根据选择的所述一电平状态时所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态，控制第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
在本公开的示例性实施例中，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
在本公开的示例性实施例中，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络；或者，所述第二无源网络仅包括电容。
在本公开的示例性实施例中，所述直流/直流变换器为双向直流/直流变换器。
在本公开的示例性实施例中，所述直流/直流变换器为非隔离型电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络还包括原边绕组与所述第二无源网络电连接的变压器，所述变压器的副边绕组电连接第二开关电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第一无源网络还包括第三无源网络，所述第三无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述第二开关电路之间，所述第三无源网络包括电感、电容或者电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
在本公开的示例性实施例中，所述第二开关电路为全桥整流电路或全波整流电路。
在本公开的示例性实施例中，所述第二开关电路包括耦接于第十节点的第三电容和第四电容，所述第三电容的第二端耦接于第十一节点，所述第四电容的第二端耦接于第十二节点；所述第二开关电路还包括耦接在所述第十一节点和所述第十节点之间的第三桥臂、耦接在所述第十二节点和所述第十节点之间的第四桥臂，所述第三桥臂包括耦接于第十三节点的第五开关元件和第六开关元件，所述第四桥臂包括耦接于第十四节点的第七开关元件和第八开关元件，所述副边绕组电连接于所述第十三节点和所述第十四节点。
在本公开的示例性实施例中，输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号以及第八控制信号至所述第五开关元件、第六开关元件、第七开关元件以及第八开关元件的控制端，其中，所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号均具有预设周期的方波信号，所述第五控制信号与所述第六控制信号互补；一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第五开关元件和所述第七开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第六开关元件和所述第八开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
控制所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小。
在本公开的示例性实施例中，所述第一开关电路的调制模式包括0/1两电平调制，1/2两电平调制、或者0/1/2三电平调制中的任意一种或组合。
本公开实施例提供的直流/直流变换器的控制方法通过检测第一电压和第二电压的差值，根据第一电压和第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时各个开关元件的期望工作状态，使第一电容和第二电容上的电压差减小，从而有效调节直流/直流变换器的中点电位平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种应用三电平电路的直流/直流变换器的示意图；
图2为图1所示应用三电平电路的直流/直流变换器的又一种结构的示意图；
图3为本公开提供的相关技术中的控制方法的示意图；
图4A-图4D是本公开提供的串联双半桥三电平电路的四种开关状态的示意图；
图5A-图5C是本公开提供的控制方法的示意图；
图6为图5A-图5C所示的方法应用在图2所示电路中的仿真波形；
图7A-图7C是本公开提供的控制方法的另一示意图；
图8是图7A-图7C所示的方法应用在图2所示电路中的仿真波形；
图9为本公开提供的直流/直流变换器的结构示意图；
图10为本公开提供的直流/直流变换器的另一结构示意图；
图11为本公开提供的直流/直流变换器的另一结构示意图；
图12为本公开提供的第二开关电路的一种电路结构示意图；
图13为本公开提供的第二开关电路的另一种电路结构示意图；
图14为本公开提供的第二开关电路的再一种电路结构示意图；
图15为本公开提供的第二开关电路的再一种电路结构示意图；
图16为本公开提供的控制模块的一种结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。下面将结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。
图1是一种应用三电平电路的直流/直流变换器的结构示意图。参照图1所示，本实施例所示的直流/直流变换器100包括：第一开关电路101，其中，第一开关电路101包括：第一电容C1、第二电容C2、第一桥臂1A和第二桥臂1B。
其中，第一电容C1，第一电容C1的第一端耦接于第一节点N1，第一电容C1的第二端耦接于第二节点N2；
第二电容C2，第二电容C2的第一端耦接于第一节点N1，第二电容C2的第二端耦接于第三节点N3；
第一桥臂1A，耦接在第一节点N1和第二节点N2之间，第一桥臂1A包括耦接于第四节点N4的第一开关元件S1和第二开关元件S2；
第二桥臂1B，耦接在第一节点N1和所述第三节点N3之间，第二桥臂1B包括耦接于第五节点N5的第三开关元件S3和第四开关元件S4。
直流/直流变换器100还包括：第一无源网络102以及控制模块103。其中，第一无源网络102，电连接于第四节点N4和第五节点N5；
控制模块103，耦接于第一电容C1、第二电容C2、第一桥臂1A和第二桥臂1B，控制模块103用于输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号分别至第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第四开关元件S4的控制端，其中，第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号均为具有预设周期的方波信号，第一控制信号与第二控制信号互补，第三控制信号与第四控制信号互补。
且一电平状态时上述各个开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)第一开关元件S1和第三开关元件S3对应的期望工作状态为导通状态；2)第二开关元件S2和第四开关元件S4对应的期望工作状态为导通状态。
进一步地，参照图16所示，控制模块103包括：检测单元1031、开关元件工作状态确定单元1032以及控制信号输出单元1033。
其中，检测单元1031，用于检测第一电容C1两端的第一电压和第二电容C2两端的第二电压。
开关元件工作状态确定单元1032，用于根据第一电压与第二电压的差值以及一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向，确定第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3以及第四开关元件S4分别对应的期望工作状态。
控制信号输出单元1033，用于根据开关元件工作状态确定单元1032选择的一电平状态时第一开关元件S1、第二开关元件S2、所述第三开关元件S3以及第四开关元件S4分别对应的期望工作状态，输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，使第一电容C1与所述第二电容C2的电压差减小。
在一些可能的设计中，开关元件工作状态确定单元1032，还用于若第一电压和第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则根据第一电压与第二电压的差值以及一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向，确定第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3以及第四开关元件S4分别对应的期望工作状态。
其中，预设值大于等于零。
根据第一电压与第二电压的差值以及一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向通过以下方式确定第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3以及第四开关元件S4分别对应的期望工作状态：
若第一电压与第二电压的差值为正值，且一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向为正方向，选择一电平状态时第一开关元件S1和第三开关元件S3对应的期望工作状态为导通状态，第二开关元件S2和第四开关元件S4分别对应的期望工作状态为关断状态。
若第一电压和第二电压的差值为负值，且一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向为正方向，选择一电平状态时第二开关元件S2和第四开关元件S4对应的期望工作状态为导通状态，第一开关元件S1和第三开关元件S3对应的期望工作状态为关断状态。
若第一电压与第二电压的差值为正值，且一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向为负方向，选择一电平状态时第二开关元件S2和第四开关元件S4对应的期望工作状态为导通状态，第一开关元件S1和第三开关元件S3对应的期望工作状态为关断状态。
若第一电压与第二电压的差值为负值，且一电平状态时第四节点N4至第一无源网络102的平均电流的方向为负方向，选择一电平状态时第一开关元件S1和第三开关元件S3对应的期望工作状态为导通状态，第二开关元件S2和第四开关元件S4对应的期望工作状态为关断状态。
需要说明的是，在上述描述中，一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流为当前一电平状态时间内，第四节点至第一无源网络的电流的平均值，平均电流的方向为正方向表示电流由第四节点流向第一无源网络；平均电流的方向为负方向表示电流由第一无源网络流向第四节点。
图2是图1所示应用三电平电路的直流/直流变换器的又一种结构的示意图。参照图2所示：
直流/直流变换器100中，第一无源网络102电连接于第四节点N4和第五节点N5。
其中，第一无源网络102可以仅包括第二无源网络1021，或者，或者，第一无源网络102可以同时包括第二无源网络1021和变压器1022，或者，第一无源网络102可以同时包括第二无源网络1021、变压器1022以及第三无源网络1023，或者，第一无源网络102可以同时包括变压器1022以及第三无源网络1023。
第一无源网络102仅包括第二无源网络1021时：第二无源网络1021电连接于第四节点N4和第五节点N5，且第二无源网络1021还与输出电连接。
第一无源网络102同时包括第二无源网络1021和变压器1022时：第二无源网络1021电连接于第四节点N4和第五节点N5，变压器1022的原边绕组与第二无源网络1021电连接，变压器1022的副边绕组与第二开关电路104电连接。
第一无源网络102同时包括变压器1022和第三无源网络1023：变压器1022的原边绕组电连接第四节点N4和第五节点N5，变压器1022的副边绕组电连接第二开关电路104，第三无源网络1023耦接于变压器1022与第二开关电路104之间。
第一无源网络102同时包括第二无源网络1021、变压器1022以及第三无源网络1023：第二无源网络1021电连接于第四节点N4和第五节点N5，变压器1022的原边绕组与第二无源网络1021电连接，变压器1022的副边绕组与第二开关电路104电连接，第三无源网络1023耦接于变压器1022的副边绕组和第二开关电路104之间。
需要说明的是，图2中未示出第二开关电路104。
在上述各种可能的实现方式中，第二无源网络1021和/或第三无源网络1023可以包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络，或者第二无源网络1021仅包括电容，本公开中对于第二无源网络1021和/或第三无源网络1023的具体实现方式不作限制。
常见的三电平电路有二极管中点箝位型(DNPC)结构和串联双半桥(SHB)结构。其中，串联双半桥结构如图1以及图2中所示，第一桥臂和第二桥臂由四个串联的主动器件组成串联的两个半桥，这种结构称为串联双半桥(SHB)结构。SHB结构由4个开关元件组成，SHB结构可以输出+2、+1和0三个电平。对于直流/直流变换器而言，串联双半桥结构简单，系统效率更高。
为解决应用三电平电路的直流/直流变换器的中点电位平衡控制问题，相关技术提出了基于占空比调制的中点电位平衡控制方法，例如，进行0/1/2三电平调制时，参照图3所示，第一开关元件S1和第二开关元件S2的控制信号互补导通，第三开关元件S3和第四开关元件S4的控制信号互补导通，S1和S3的控制信号的占空比大于50％，S2和S4的控制信号的占空比小于50％。0时刻至t9时刻表示一个开关周期，在t1～t2阶段内，S1和S3处于导通状态，S2和S4处于关断状态，直流/直流变换器第四节点N4和第五节点N5之间的电压νAB为1电平，第四节点至第一无源网络的平均电流方向为正方向，电流ip通过S1和S3流入中点(即第一节点N1)；在t6-t7阶段内，S1和S3处于导通状态，S2和S4处于关断状态，直流/直流变换器输出1电平，第四节点至第一无源网络的平均电流方向为负方向，电流ip通过S1和S3流出中点(即第一节点N1)。在图3所示的一个开关周期内，两次1电平状态对中点电位的作用相反，因此，相关技术中通过调节一个开关周期内正负半周1电平状态的作用时间差来控制中点电位平衡。例如，若第一电容两端的电压大于第二电容两端的电压，则在一个开关周期内，控制Tpf<Tnf，使一个开关周期内，流出中点的电流较流入中点更大，从而实现第二电容两端的电压Udc2下降，第一电容两端的电压Udc1上升，从而实现中点电位的调节。
在这种基于占空比调制的控制方式中，由于正负半周内1电平状态的作用时间不相等，导致直流/直流变换器在一个开关周期内的工作模态不对称，进而导致各开关元件的关断电流不同，难以确保所有开关元件实现零电压开关(ZVS)，且上述方式导致导通损耗和开关损耗不均，影响热设计。因此，相关技术中依靠1电平状态的作用时间差来控制中点电位平衡的方式，调节性能较差。
针对相关技术存在的问题，本公开提出一种控制方法，该控制方法根据第一电容和第二电容的电压差以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，选取一个开关周期内1电平状态时各个开关元件的期望工作状态，从而实现中点电位平衡控制，该控制方法具有更强的中点电位平衡调节能力，不影响变换器ZVS实现，并可以使开关元件的开关损耗和导通损耗均衡，适用于以串联双半桥三电平结构为输入端的各类谐振或非谐振、单向或双向直流/直流变换电路。
下面对本公开提出的控制方法进行详细介绍：
参照图4A所示，第一开关元件S1和第四开关元件S4同时导通时，第一电容C1和第二电容C2串联接入直流/直流变换器中，第一桥臂1A中点和第二桥臂1B中点的总输出电压为第一电容C1两端的电压Udc1和第二电容C2两端的电压Udc2之和，输出电平为2，中点不接入电路，即第一节点N1不接入电路，图4A所示的开关状态对中点电位无影响。
参照图4B所示，第二开关元件S2和第三开关元件S3同时导通时，第一电容C1和第二电容C2均不接入直流/直流变换器中，第一桥臂1A中点和第二桥臂1B中点的总输出电压为0，输出电平为0，中点不接入电路，即第一节点N1不接入电路，该开关状态对中点电位无影响。
参照图4C所示，第一开关元件S1和第三开关元件S3同时导通时，第一桥臂1A中点和第二桥臂1B中点的总输出电压为第一电容C1两端的电压Udc1，输出电平为1，中点N1接入直流/直流变换器中，该开关状态下电流经由第一开关元件S1和第三开关元件S3流出中点。
参照图4D所示，第二开关元件S2和第四开关元件S4同时导通时，第一桥臂1A中点和第二桥臂1B中点的总输出电压为第二电容C2两端的电压Udc2，输出电平为1，中点N1接入直流/直流变换器中，该开关状态下电流经由第二开关元件S2和第四开关元件S4流出中点。
在以上四个开关状态中，0电平和2电平对应的开关状态对中点N1的电位没有影响，因此，本公开的实施例中通过利用1电平状态，来实现对中点电位的调节。
针对第一开关电路来说，基于上述多种开关状态进行不同组合可得到多种调制模式，第一开关电路的调制模式可以包括：0/1两电平调制、1/2两电平调制或者0/1/2三电平调制中的任意一种或组合，下面对上述多种不同的调制模式分别进行详细介绍：
一、0/1两电平调制
直流/直流变换器工作于0/1两电平调制时，如图5A所示，在稳态状态下，S1和S2互补导通，S3和S4互补导通，S1和S4的控制信号占空比为25％，且S1和S4相位交错180度，直流/直流变换器输出电压在0电平和1电平之间切换，等效频率为开关频率的2倍。
其中，在图5A中，νAB表示第四节点N4和第五节点N5之间的电平，Ugs是各开关元件的控制信号电平，iLr是由第四节点N4至第一无源网络电流，im是变压器的激磁电流，iN是第一节点N1的电流即中点电流。在后续各实施例中，上述参数表示相同的含义。
参照图5A所示，在稳态状态下，一个开关周期内，第一次1电平状态对应的开关状态为S1和S3处于导通状态，第二次1电平状态对应的开关状态为S2和S4处于导通状态，且两次1电平状态的作用时间相同，流经中点的电流方向相反，对中点电位的影响相互抵消。需要说明的是，图5A中“13+24Mode”表示稳态状态下，一个开关周期内的两次一电平状态分别为“13Mode”和“24Mode”，其中，“13Mode”表示一电平状态时，第一开关元件S1和第三开关元件S3同时导通的状态，“24Mode”表示一电平状态时，第二开关元件S2和第四开关元件S4同时导通的状态。
基于0/1两电平调制中点电位时，若第一电压与第二电压的差值为负值，则需要控制中点电位下降，则需要控制中点电流流出中点，若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为正方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为导通状态，第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为关断状态；若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流方向为负方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为导通状态，第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为关断状态。
若第一电压与第二电压的差值为正值，则需要控制中点电位上升，则需要控制中点电流流入中点，若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为正方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为导通状态，第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为关断状态；若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为负方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为导通状态，第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为关断状态。
参照图5B所示，在一个开关周期内，两次1电平状态均选择第二开关元件S2和第四开关元件S4的期望工作状态为导通状态、第一开关元件S1和第三开关元件S3的期望工作状态为关断状态，结合图5A以及图5B可知，图5B所示的两次1电平状态的作用时间与稳态状态下两次1电平状态的作用时间相同，且在图5B所示一个开关周期内，正负半周的工作模态完全对称。需要说明的是，图5B中“24+24Mode”表示在一个开关周期内的两次一电平状态均为“24Mode”，其中，“24Mode”表示一电平状态时，第二开关元件S2和第四开关元件S4同时导通的状态。
参照图5C所示，在一个开关周期内，两次1电平状态均选择第一开关元件S1和第三开关元件S3的期望工作状态为导通状态、第二开关元件S2和第四开关元件S4的期望工作状态为关断状态，结合图5A以及图5C可知，图5C所示的两次1电平状态的作用时间与稳态状态下两次1电平状态的作用时间相同，且在图5C所示一个开关周期内，正负半周的工作模态完全对称。需要说明的是，图5C中“13+13Mode”表示在一个开关周期内的两次一电平状态均为“13Mode”，其中，“13Mode”表示一电平状态时，第一开关元件S1和第三开关元件S3同时导通的状态。
在进行中点电位平衡控制时，通过选择上述图5B或者图5C所示的状态，使正负半周的工作模态完全相同，正负半周对中点作用的效果相叠加后获得更强的调节能力，另外，由于本公开提供的直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS。
图6是图5A-图5C所示的控制方法应用在图2所示电路中的仿真波形。
参照图6所示，在6ms时刻开始模拟中点不平衡，设置两个输入电容的电压为第一电容两端的第一电压UdcP上升，第二电容两端的第二电压UdcN下降。采用如图5A-图5C所示的控制方法根据第一电压和第二电压的差值，以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，选择一个开关周期内两次1电平状态时各个开关元件的工作状态，进而根据1电平状态时各个开关元件的工作状态为期望工作状态输出相应的控制信息，从而实现中点电位电压下降，第一电容两端的第一电压和第二电容两端的第二电压重新趋于平衡状态。
且参照图6所示的仿真波形可知，图5A所示的情况(即图6中标记的Mode＝0的情况)和图5B所示的情况(即图6中标记的Mode＝-1的情况)，桥臂电压和谐振电流完全相同，直流/直流变换器的输出电压不受中点平衡控制的影响。
类似地，基于1/2两电平调制的实现方式与上述基于0/1两电平调制的实现方式类似。
二、0/1/2三电平调制
直流/直流变换器工作于0/1/2三电平调制时，在稳态状态下，S1和S2的控制信号互补导通，S3和S4的控制信号互补导通，S1和S3的控制信号占空比大于50％，且S1和S4相位同步，直流/直流变换器的第一桥臂1A中点和第二桥臂1B中点输出电压在0电平、1电平和2电平之间切换，等效频率为开关频率。
需要说明的是，本实施例中，以S1和S3的控制信号占空比大于等于50％为例进行说明，S1和S3的控制信号占空比小于等于50％时的中点平衡控制实现方式与S1和S3的控制信号占空比大于50％时的中点平衡控制实现方式类似。
参照图7A所示，在稳态状态下，第一桥臂1A和第二桥臂1B一个开关周期内有4个开关状态，分别为：(1)、S1、S4同时导通，桥臂输出电压为第一电压与第二电压之和，输出电平为2，中点不接入电路；(2)、S1、S3同时导通，桥臂输出电压为第一电容两端的电压，输出电平为1，中点接入电路中，此时，第四节点至第一无源网络的电流方向为正方向，电流经由S1和S3流入中点；(3)、S2、S3同时导通，桥臂输出电压为0，输出电平为0，中点不接入电路，该状态对中点电位无影响；(4)、S1、S3同时导通，桥臂输出电压为第一电容两端的电压，输出电平为1，中点接入电路中，此时，第四节点至第一无源网络的电流方向为负方向，电流经由S1和S3流出中点。
稳态状态下，一个开关周期内两次1电平状态对应的开关状态均为S1和S3处于导通状态，两次1电平状态的作用时间相同，流经中点的电流方向相反，对中点电位的影响相互抵消。
基于0/1/2三电平调制中点电位时，若第一电压与第二电压的差值为负值，则需要控制中点电位下降，则需要控制中点电流流出中点，若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为正方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为导通状态，第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为关断状态；若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流方向为负方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为导通状态，第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为关断状态。
若第一电压与第二电压的差值为正值，则需要控制中点电位上升，则需要控制中点电流流入中点，若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为正方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为导通状态，第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为关断状态；若一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向为负方向，则在一个开关周期内两次1电平状态，均选择第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为导通状态，第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为关断状态。
参照图7B所示，在一个开关周期内，两次1电平状态均选择第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为导通状态、第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为关断状态。结合图7A以及图7B可知，图7B所示的两次1电平状态的作用时间与稳态状态下两次1电平状态的作用时间相同，且在图7B所示一个开关周期内，正负半周的工作模态完全对称。
参照图7C所示，在一个开关周期内，两次1电平状态均选择第一开关元件和第三开关元件的期望工作状态为导通状态、第二开关元件和第四开关元件的期望工作状态为关断状态时，结合图7A以及图7C可知，图7C所示的两次1电平状态的作用时间与稳态状态下两次1电平状态的作用时间相同，且在图7C所示一个开关周期内，正负半周的工作模态完全对称。
在进行中点电位平衡控制时，通过选择上述图7B或者图7C所示的状态，使正负半周的工作模态完全相同，正负半周对中点作用的效果相叠加后获得更强的调节能力，另外，由于直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS。
图8是图7A-图7C所示的控制方法应用在图2所示电路中的仿真波形。
参照图8所示，在24ms时刻开始模拟中点不平衡，设置两个输入电容的电压为第一电容两端的第一电压UdcP上升，第二电容两端的第二电压UdcN下降。采用如图7A-图7C所示的控制方法根据第一电压和第二电压的差值，以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，选择一个开关周期内两次1电平状态时各个开关元件的工作状态，使1电平状态时各个开关元件的工作状态为期望工作状态，从而实现中点电位电压上升，第一电容两端的第一电压和第二电容两端的第二电压重新趋于平衡状态。
且参照图8所示的仿真波形可知，图7A所示的情况(即图8中标记的Mode＝0的情况)和图7B所示的情况(即图8中标记的Mode＝-1的情况)下，桥臂电压和谐振电流完全相同，直流/直流变换器的输出电压不受中点平衡控制的影响。
本公开提出的基于重新选择1电平状态时开关元件的开关状态的中点电位平衡控制方法与相关技术相比至少具有以下优点：
1、正负半控制周期的工作模态完全对称，正负半控制周期对中点的作用效果一致，相叠加后能够获得更强的调节能力；2、直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS；3、可以使第一桥臂和第二桥臂的四个开关元件的应力和损耗均匀，提高能量效率。
图9为本公开提供的直流/直流变换器的结构示意图。在图9所示的实施例中，第一无源网络102仅包括第二无源网络1021，第二无源网络1021包括第一电感L1、第二电感L2和第五电容C5。第一电感L1的第一端与第四节点N4连接，第二电感L2的第二端与第五节点N5连接，第一电感L1的第二端以及第二电感L2的第二端连接至第二开关电路104的不同节点。第五电容C5耦接在第二无源网络1021与第二开关电路104之间。需要说明的是，图9所示实施例中的直流/直流变换器为非隔离型直流/直流变换器。
图10为本公开提供的直流/直流变换器的另一结构示意图。在图10所示的实施例中，第一无源网络102包括第二无源网络1021、变压器1022和第三无源网络1023，其中，第二无源网络1021包括：谐振电感La和Lb，和谐振电容CA。谐振电感L1的第一端与第四节点N4连接，谐振电感La的第二端与变压器1022的原边绕组的一端连接，即谐振电感La与第六节点N6连接；谐振电容CA的第一端与第五节点N5连接，谐振电容CA的第二端与变压器1022的原边绕组的另一端连接，即谐振电容CA的第二端与第七节点N7连接；谐振电感Lb的第一端与谐振电感La的第二端连接，谐振电感Lb的第二端与谐振电容CA的第二端连接。
图11为本公开提供的直流/直流变换器的另一结构示意图。在图11所示的实施例中，第一无源网络102包括第二无源网络1021、变压器1022和第三无源网络1023。
其中，第二无源网络1021仅包括电容CB，其中，电容CB与变压器1022的激励电感和漏感形成谐振网络。
其中，图10以及图11所示实施例中的直流/直流变换器均为隔离型直流/直流变换器。
在图9至图11所示的实施例的基础上，无论第二开关电路104为何种结构的电路，均能够应用本公开实施例提供的控制方法对应用三电平电路的串联双半桥结构进行中点电位平衡控制。另外，参照图9至图11所示的实施例，本公开提供的控制方法可以应用于隔离型和非隔离型直流/直流变换器，该方案适用性较广。
需要说明的是，在上述实施例中，第三无源网络1023可以采用与第二无源网络1021相同的结构，或者，第三无源网络1023也可以采用与第二无源网络1021不同的结构。本公开实施例对于第三无源网络1023的具体结构不作限制。
本公开提供的直流/直流变换器的第二开关电路可以为全桥整流电路，或者，还可以为全波整流电路，或者还可以为SHB结构的电路。下面对第二开关电路进行详细介绍：
图12为本公开提供的第二开关电路的一种电路结构示意图。参考图12所示，第二开关电路104可以为全桥整流电路，该第二开关电路104包括：
第四桥臂2A，包括耦接于第八节点N8的第五开关元件S5、第七开关元件S7；
第五桥臂2B，包括耦接于第九节点N9的第六开关元件S6、第八开关元件S8；
第五开关元件S5与第六开关元件S6耦接于第十一节点N11，第七开关元件S7与第八元件S8耦接于第十二节点N12，第二开关电路104通过第八节点N8和第九节点N9电连接于变压器1022的副边绕组。
在一些实施例中，第二开关电路104可以通过第八节点N8和第九节点N9直接耦接变压器1022的副边绕组，或者，第二开关电路104也可以通过第三无源网络1023电连接于变压器1022的副边绕组。
其中，第三无源网络1023的电路形式可以与第二无源网络1021相同，也可以不相同，本公开对此不作特殊限制。在图12所示实施例中，第一开关电路101为串联双半桥电路(SHB电路)，第一开关电路101的两个桥臂1A和1B的输出端口通过第二无源网络1021与变压器1022的原边绕组相连(且第二无源网络1021的结构并不限与图12中所示的方式)，第二开关电路104为全桥整流电路。其中，第一开关电路101可以采用基于上述实施例中所示的基于选择一个开关周期内一电平状态时各个开关元件的期望工作状态的控制方法调节第一开关电路101的中点电位平衡，使得该直流/直流变换器在正负半控制周期的工作模态完全对称，正负半控制周期对中点的作用效果一致，相叠加后能够获得更强的调节能力；另外，该直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS；同时还可以使第一桥臂1A和第二桥臂1B的四个开关元件的应力和损耗均匀，提高能量效率。
图13是第二开关电路104的另一种电路结构示意图。参考图13所示，第二开关电路104可以为全波整流电路，该第二开关电路104包括：
第五开关元件S5，第一端通过第八节点N8电连接变压器1022的副边绕组的一端；
第六开关元件S6，第一端通过第九节点N9电连接于变压器1022的副边绕组的另一端，第六开关元件S6的第二端与第五开关元件S5的第二端耦接。
在图13所示的情况下，该变压器1022的副边绕组的第三端与第六开关元件S6的第二端之间还可以耦接一电容。
在图13所示实施例中，第一开关电路101为串联双半桥电路，第一开关电路101的两个桥臂1A、1B的输出端口通过第二无源网络1021与变压器1022的原边绕组相连(其中，第二无源网络的结构并不限与图13中的方式)，第二开关电路104为全波整流电路。
其中，第一开关电路101可以采用基于上述实施例中所示的基于选择一个开关周期内一电平状态时各个开关元件的期望工作状态的控制方法调节第一开关电路101的中点电位平衡，使得该直流/直流变换器在正负半控制周期的工作模态完全对称，正负半控制周期对中点的作用效果一致，相叠加后能够获得更强的调节能力；另外，该直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS；同时还可以使第一桥臂1A和第二桥臂1B的四个开关元件的应力和损耗均匀，提高能量效率。在本实施例中，当第二开关电路104为如上所示的整流电路时，可以对第二开关电路104采用不控整流或同步整流，也可以是其他调制方式，本公开对此不作特殊限制。
图14是第二开关电路104的再一种电路结构示意图。参考图14，在一个实施例中，第二开关电路104也可以同样为串联双半桥(SHB)结构，该第二开关电路104包括：
耦接于第十节点N10的第三电容C3和第四电容C4，第三电容C3的第二端耦接于第十一节点N11，第四电容C4的第二端耦接于第十二节点N12；
耦接在第十节点N10和第十一节点N11之间的第三桥臂2A、耦接在第十二节点N12和第十节点N10之间的第四桥臂2B；其中，第三桥臂2A包括耦接于第十三节点N13的第五开关元件S5和第六开关元件S6，第四桥臂2B包括耦接于第十四节点N14的第七开关元件S7和第八开关元件S8，第二开关电路104通过第十三节点N13和第十四节点N14电连接于变压器1022的副边绕组。
在图14所示的实施例中，控制方法还可以包括：
输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号、第八控制信号至第五开关元件S5、第六开关元件S6、第七开关元件S7、第八开关元件S8的控制端，其中，第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号、第八控制信号均为具有预设周期的方波信号，第五控制信号与第六控制信号互补，第七控制信号与第八控制信号互补；
且一电平状态时，第二开关电路104中各开关元件分别对应的期望工作状态可以包括以下两种模式：1)、第五开关元件S5和第七开关元件S7对应的期望工作状态为导通状态；2)、第六开关元件S6和第八开关元件S8对应的期望工作状态为导通状态。
进行中点电位平衡控制时，通过选择第二开关电路104中各开关元件在一个开关周期内一电平时的期望工作状态，使第三电容C3与第四电容C4的电压差减小。
其中，使第三电容C3与第四电容C4的电压差减小可以通过下述方式实现：
检测第三电容C3两端的第三电压和第四电容C4两端的第四电压；
若第三电压与第四电压的差值的绝对值大于等于预设值时，根据第三电压与第四电压的差值以及第十三节点N13至第一无源网络的平均电流的方向，选择一电平状态时第二开关电路104中各开关元件分别对应的期望工作状态。其中，该预设值大于等于0。
具体地，若第三电压与第四电压的差值的绝对值大于等于预设值，则选择一电平状态时第二开关电路104中各开关元件分别对应的期望工作状态。
进一步，根据选择的一电平状态时第二开关电路104中各个开关元件分别对应的期望工作状态，输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号、第八控制信号分别至第五开关元件S5、第六开关元件S6、第七开关元件S7以及第八开关元件S8，使第三电压与第四电压的差值减小。
也就是说，第二开关电路为SHB结构时，可以应用如上述实施例中针对第一开关电路的控制方法来调整第二开关电路的中点平衡，具体的应用详见上述实施例中的详细描述，本公开于此不再赘述。
在实际应用中，也可通过与控制模块103来控制第二开关电路的中点平衡，该控制模块103的结构可如图15所示实施例中，可以包括检测单元1051、开关元件工作状态确定单元1052以及控制信号输出单元1053。
虽然本公开实施例以电压输入源耦接第二节点N2、第三节点N3为例，但是在其他实施例中，电压输入源也可以耦接第二开关电路，即电路可以正向运行或者反向运行，或者电路还可以双向运行，本公开对此不作特殊限制。
上述应用三电平电路的直流/直流变换器的第一无源网络的结构、第二开关电路的结构仅为示例，以上示例可以互相搭配，在其他实施例中也可以包括其他结构，只要第一开关电路101应用SHB结构的三电平电路即可应用本公开提供的控制方法进行中点电位的调节。
综上所述，本公开实施例通过控制SHB结构直流/直流变换器的两个桥臂上的第一开关元件、第二开关元件互补导通、第三开关元件、第四开关元件互补导通，在进行中点电位平衡控制时，根据第一电压以及第二电压的差值、以及一电平状态时第四节点至第一无源网络的平均电流的方向，选择一个开关周期内一电平状态时第一开关电路中各个开关元件分别对应的期望工作状态，并根据上述选择的一电平状态时各开关元件分别对应的期望工作状态输出相应的控制信号，使第一电容和第二电容的电压差减小，可以有效调节直流/直流变换器的中点电位平衡。在这种控制方法中，由于正负半周期的工作模态完全对称，对中点的作用效果一致，SHB结构中的开关元件的导通时间相同，相比于传统的中点调节的控制方法，本公开实施例的方法具有更高的中点调节能力、有利于桥臂中的四个开关元件均实现ZVS，同时使四个开关元件的应力和损耗均匀，提高了能量效率。
图15是第二开关电路104的再一种电路结构示意图。参考图15，在一个实施例中，第二开关电路104包括：
耦接于第八节点N8以及第十一节点N11的第一二极管VD1，耦接于第九节点N9以及第十一节点N11的第二二极管VD2，耦接于第八节点N8以及第十二节点N12的第三二极管VD3，耦接于第九节点N9和第十二节点N12的第四二极管VD4。其中，第一至第四二极管的方向分别参照图15中所示。
其中，在第十一节点N11与第十二节点N12之间还可以耦接一由第电感和电容串联组成的网络。
在图15所示实施例中，第一开关电路101为串联双半桥电路，第一开关电路101的两个桥臂1A、1B的输出端口通过第二无源网络1021与变压器1022的原边绕组相连(其中，第二无源网络的结构并不限与图15中的方式)，第二开关电路104为四个二极管组成的桥式整流电路。
其中，第一开关电路101可以采用基于上述实施例中所示的基于选择一个开关周期内一电平状态时各个开关元件的期望工作状态的控制方法调节第一开关电路101的中点电位平衡，使得该直流/直流变换器在正负半控制周期的工作模态完全对称，正负半控制周期对中点的作用效果一致，相叠加后能够获得更强的调节能力；另外，该直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS；同时还可以使第一桥臂1A和第二桥臂1B的四个开关元件的应力和损耗均匀，提高能量效率。
在上述所描述的各实施例的基础上，还可以根据直流/直流变换器的增益范围在0/1两电平调制，1/2两电平调制以及0/1/2三电平调制这三种调制模式之间进行切换，也就是说，可通过上述0/1两电平调制，1/2两电平调制以及0/1/2三电平调制中的多种调制模式的组合进行中点平衡控制。例如，对于图9所示的电路来说，当占空比小于0.5时，可基于0/1两电平调制的模式实现第一开关电路的中点电位平衡；当占空比大于0.5时，可根据1/2两电平调制的模式实现第一开关电路的中点电位平衡。
结合上述各实施例可知，本公开提供的方案中直流/直流变换器在正负半控制周期的工作模态完全对称，正负半控制周期对中点的作用效果一致，相叠加后能够获得更强的调节能力；另外，该直流/直流变换器桥臂的电流对称，有利于开关元件实现ZVS；同时还可以使第一桥臂1A和第二桥臂1B的四个开关元件的应力和损耗均匀，提高能量效率。另外，本公开的方案能够适用于各种以串联双半桥三电平结构为输入端的各类谐振或非谐振、单向或双向直流/直流变换电路、隔离或非隔离直流/直流变换器中，适用性较广。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (30)

1.一种直流/直流变换器的控制方法，其特征在于，应用于直流/直流变换器，所述直流/直流变换器包括第一开关电路，所述第一开关电路包括耦接于第一节点的第一电容和第二电容，所述第一电容的第二端耦接于第二节点，所述第二电容的第二端耦接于第三节点；所述第一开关电路还包括耦接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一桥臂、耦接在所述第一节点和所述第三节点之间的第二桥臂，所述第一桥臂包括耦接于第四节点的第一开关元件和第二开关元件，所述第二桥臂包括耦接于第五节点的第三开关元件和第四开关元件；所述直流/直流变换器还包括电连接于所述第四节点和所述第五节点的第一无源网络；
所述方法包括：
输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号分别至所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的控制端，其中，所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号均为具有预设周期的方波信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号互补，所述第三控制信号与所述第四控制信号互补，一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
检测所述第一电容两端的第一电压以及所述第二电容两端的第二电压；
根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小；
所述第一开关电路的调制模式包括0/1两电平调制，1/2两电平调制或者0/1/2三电平调制中的任意一种或组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，包括：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流/直流变换器为双向直流/直流变换器。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述第一无源网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络；或者，所述第二无源网络仅包括电容。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述直流/直流变换器为非隔离型电路。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一无源网络还包括原边绕组与所述第二无源网络电连接的变压器，所述直流/直流变换器还包括与所述变压器的副边绕组电连接的第二开关电路。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一无源网络还包括第三无源网络，所述第三无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述第二开关电路之间，所述第三无源网络包括电感、电容或者电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二开关电路为全桥整流电路或全波整流电路。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二开关电路包括耦接于第十节点的第三电容和第四电容，所述第三电容的第二端耦接于第十一节点，所述第四电容的第二端耦接于第十二节点；所述第二开关电路还包括耦接在所述第十一节点和所述第十节点之间的第三桥臂、耦接在所述第十二节点和所述第十节点之间的第四桥臂，所述第三桥臂包括耦接于第十三节点的第五开关元件和第六开关元件，所述第四桥臂包括耦接于第十四节点的第七开关元件和第八开关元件，所述副边绕组电连接于所述第十三节点和所述第十四节点。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号以及第八控制信号至所述第五开关元件、第六开关元件、第七开关元件以及第八开关元件的控制端，其中，所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号均具有预设周期的方波信号，所述第五控制信号与所述第六控制信号互补，所述第七控制信号与所述第八控制信号互补；一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第五开关元件和所述第七开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第六开关元件和所述第八开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
检测所述第三电容两端的第三电压以及所述第四电容两端的第四电压；
根据所述第三电压与所述第四电压的差值以及一电平状态时所述副边绕组上的电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小。
15.一种直流/直流变换器，其特征在于，包括：第一开关电路，所述第一开关电路包括第一电容、第二电容、第一桥臂以及第二桥臂；其中，
所述第一电容，第一端耦接于第一节点，第二端耦接于第二节点；
所述第二电容，第一端耦接于所述第一节点，第二端耦接于第三节点；
所述第一桥臂，耦接在所述第一节点和所述第二节点之间，包括耦接于第四节点的第一开关元件和第二开关元件；
所述第二桥臂，耦接在所述第一节点和所述第三节点之间，包括耦接于第五节点的第三开关元件和第四开关元件；
所述直流/直流变换器还包括：第一无源网络，电连接于所述第四节点和所述第五节点；
所述直流/直流变换器还包括：控制模块，耦接于所述第一电容、所述第二电容、所述第一桥臂和所述第二桥臂，设置为：
输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号至所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件、所述第四开关元件的控制端，其中，所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号、所述第四控制信号均为具有预设周期的方波信号，所述第一控制信号与所述第二控制信号互补，所述第三控制信号与所述第四控制信号互补，一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
所述控制模块包括：检测单元，用于检测所述第一电容两端的第一电压和所述第二电容两端的第二电压；
开关元件工作状态确定单元，用于根据所述第一电压与所述第二电压的差值以及一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向，确定所述一电平状态时所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态；
控制信号输出单元，用于根据所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态，输出第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小；所述第一开关电路的调制模式包括0/1两电平调制，1/2两电平调制、或者0/1/2三电平调制中的任意一种或组合。
16.根据权利要求15所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制信号输出单元，具体用于若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则根据所述一电平状态时所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件以及所述第四开关元件分别对应的期望工作状态，控制第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
17.根据权利要求16所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值的绝对值大于等于预设值，则选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态，使所述第一电容与所述第二电容的电压差减小，所述预设值大于等于零。
18.根据权利要求16所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
19.根据权利要求16所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为正方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
20.根据权利要求16所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为正值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
21.根据权利要求16所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述开关元件工作状态确定单元，具体用于：
若所述第一电压与所述第二电压的差值为负值，且所述一电平状态时所述第四节点至所述第一无源网络的平均电流的方向为负方向，选择所述一电平状态时所述第一开关元件和所述第三开关元件对应的期望工作状态为导通状态，所述第二开关元件和所述第四开关元件对应的期望工作状态为关断状态。
22.根据权利要求15所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述直流/直流为双向直流/直流变换器。
23.根据权利要求15-22任一项所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述第一无源网络包括第二无源网络，所述第二无源网络包括电感、电容或者电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络；或者，所述第二无源网络仅包括电容。
24.根据权利要求23所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述直流/直流变换器为非隔离型电路。
25.根据权利要求23所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述第一无源网络还包括原边绕组与所述第二无源网络电连接的变压器，所述变压器的副边绕组电连接第二开关电路。
26.根据权利要求25所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述第一无源网络还包括第三无源网络，所述第三无源网络耦接于所述变压器的副边绕组和所述第二开关电路之间，所述第三无源网络包括电感、电容或者电容和电感串联、并联或者串并联组成的网络。
27.根据权利要求26所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述第二开关电路为全桥整流电路或全波整流电路。
28.根据权利要求26所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述第二开关电路包括耦接于第十节点的第三电容和第四电容，所述第三电容的第二端耦接于第十一节点，所述第四电容的第二端耦接于第十二节点；耦接在所述第十一节点和所述第十节点之间的第三桥臂、耦接在所述第十二节点和所述第十节点之间的第四桥臂，所述第三桥臂包括耦接于第十三节点的第五开关元件和第六开关元件，所述第四桥臂包括耦接于第十四节点的第七开关元件和第八开关元件，所述副边绕组电连接于所述第十三节点和所述第十四节点。
29.根据权利要求28所述的直流/直流变换器，其特征在于，输出第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号以及第八控制信号至所述第五开关元件、第六开关元件、第七开关元件以及第八开关元件的控制端，其中，所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号均具有预设周期的方波信号，所述第五控制信号与所述第六控制信号互补；一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态包括：1)所述第五开关元件和所述第七开关元件对应的期望工作状态为导通状态；2)所述第六开关元件和所述第八开关元件对应的期望工作状态为导通状态；
控制所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小。
30.根据权利要求29所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制所述第五控制信号、所述第六控制信号、所述第七控制信号以及所述第八控制信号，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小，包括：
检测所述第三电容两端的第三电压以及所述第四电容两端的第四电压；
根据所述第三电压与所述第四电压的差值以及一电平状态时所述副边绕组上的电流的方向，选择所述一电平状态时所述开关元件分别对应的期望工作状态；
根据所述开关元件分别对应的期望工作状态，控制第五控制信号、第六控制信号、第七控制信号以及第八控制信号，使所述第三电容与所述第四电容的电压差减小。
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