CN113285584A - 基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于负极预充的预充电电路，包括充电模块，包括第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一开关、软启动单元和第二开关，第一钳位二极管的正极用于连接于第一电容与第二电容之间，第一钳位二极管的负极用于与飞跨电容的正极连接，第二钳位二极管的负极与第一钳位二极管的正极连接，第二钳位二极管的正极用于与飞跨电容的负极连接，第一开关的一端用于与飞跨电容的负极连接，第一开关的另一端与负母线连接，第二开关与正母线的两侧串联，软启动单元与第二开关并联，软启动单元闭合后用于对两侧的母线充电，第一开关和第二开关闭合后用于对飞跨电容充电。本发明通过软启动单元对两侧母线充电后，闭合第一开关和第二开关对飞跨电容充电。

Description

基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器。

背景技术

飞跨电容三电平变换器常用于储能系统中，以实现能量在储能设备及直流电网间的双向变换。一般在变换器的系统运行前，需要对变换器中的飞跨电容进行预充电至输入电压值的一半，完成软启动运行，避免电路拓扑中的功率半导体器件在导通的瞬间出现过压损坏。

相关技术中，常用的软启动方式包括两大类，第一种是增设外部充电电源，利用外部电源为飞跨电容单独充电，飞跨电容的电压值达到输入侧电压一半时，停止对飞跨电容充电，并将外部增设的充电电路从变换器的主电路中切除，完成变换器系统的软启动；第二种是直接利用电网或储能设备的能量对飞跨电容进行预充电，需要对电路拓扑进行改进，增加软启动开关，通常需要在飞跨电容与主电路的连线中增加开关或功率半导体器件。第一种方式实现简单但是需要增加额外的充电电路，导致变换器系统的设计和结构复杂化，第二种方式所增加的开关或者功率半导体器件在软启动完成后成为电路拓扑的一部分，因此对增加的开关或功率半导体器件的功率等级有要求，长期以往会影响变换器系统的使用寿命。

发明内容

本发明提供基于负极预充的预充电电路，无需更改变换器自身的结构，能够实现同时对所有飞跨电容进行预充电，且预充电电路结构简单。

本发明是这样实现的，一种基于负极预充的预充电电路，包括：

充电模块，所述充电模块包括两组，每组所述充电模块包括第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一开关、软启动单元以及第二开关，两个所述第一钳位二极管的正极分别用于连接于飞跨电容三电平变换器两侧的第一电容与第二电容之间，其中，飞跨电容三电平变换器同一侧的所述第一电容与第二电容串联后连接于正母线和负母线上，两个所述第一钳位二极管的负极分别用于与飞跨电容三电平变换器两侧的飞跨电容的正极连接，两个所述第二钳位二极管的负极分别对应地与两个所述第一钳位二极管的正极连接，所述第二钳位二极管的正极分别用于与所述飞跨电容的负极连接，两个所述第一开关的一端分别用于与所述飞跨电容的负极连接，所述第一开关的另一端与负母线连接，两个所述第二开关分别与正母线的两侧串联，所述软启动单元分别与两个所述第二开关并联，所述软启动单元闭合后用于对两侧的母线充电，所述第一开关以及第二开关闭合后用于对所述飞跨电容充电。

更进一步地，所述充电模块还包括第三开关，所述第三开关的一端用于连接于所述第一电容与第二电容之间，所述第三开关的另一端连接于同一组所述充电模块的第一钳位二极管与第二钳位二极管之间。

更进一步地，所述软启动单元包括第四开关以及第一电阻，所述第四开关以及第一电阻串联。

更进一步地，所述第一开关为第一开关管，所述充电模块还包括第二电阻，所述第一开关管的发射极与负母线连接，所述第一开关管的集电极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端用于与所述飞跨电容的负极连接。

本发明还提供一种飞跨电容三电平变换器，包括：

变换器模块，所述变换器模块包括两组，所述变换器模块包括开关管单元、飞跨电容、第一电容以及第二电容，所述飞跨电容与所述开关管单元一一对应设置，所述开关管单元分别与正母线和负母线连接，两组所述开关管单元之间通过电感连接，所述飞跨电容与对应的所述开关管单元并联，所述第一电容的负极与所述第二电容的正极连接，所述第一电容的正极与正母线连接，所述第二电容的负极与负母线连接，所述变换器模块对称设置于正母线和负母线的两侧；

充电模块，所述充电模块包括两组，每组所述充电模块包括第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一开关、软启动单元以及第二开关，两个所述第一钳位二极管的正极分别连接于两组所述变换器模块的第一电容与第二电容之间，两个所述第一钳位二极管的负极分别与两组所述变换器模块的飞跨电容的正极连接，两个所述第二钳位二极管的负极分别对应地与两个所述第一钳位二极管的正极连接，所述第二钳位二极管的正极分别与所述飞跨电容的负极连接，两个所述第一开关的一端分别与所述飞跨电容的负极连接，所述第一开关的另一端与负母线连接，两个所述第二开关分别与正母线的两侧串联，所述软启动单元分别与两个所述第二开关并联，所述软启动单元闭合后用于对两侧的母线充电，所述第一开关以及第二开关闭合后用于对所述飞跨电容充电。

更进一步地，所述飞跨电容三电平变换器还包括若干个第三电阻，所述第三电阻分别与第一电容、第二电容以及飞跨电容并联。

更进一步地，所述变换器模块还包括放电模块，所述放电模块用于释放存储于所述第一电容以及第二电容的电能，所述放电模块的两端分别与正母线和负母线连接。

更进一步地，所述放电模块包括第五开关以及第四电阻，所述第五开关与所述第四电阻串联。

更进一步地，所述开关管单元包括四个第二开关管，每一所述第二开关管串联，第一个所述第二开关管的一端与正母线连接，第四个所述第二开关管的一端与负母线连接，所述飞跨电容的正极连接于第一个所述第二开关管与第二个所述第二开关管之间，所述飞跨电容的负极连接于第三个所述第二开关管与第四个所述第二开关管之间。

更进一步地，所述电感的一端连接于其中一组所述开关管单元的第二个所述第二开关管与第三个所述第二开关管，所述电感的另一端连接于另一组所述开关管单元的第二个所述第二开关管与第三个所述第二开关管。

本发明提供的基于负极预充的预充电电路，通过闭合软启动单元分别为两侧的母线充电，当两侧母线电压达到预定值时，断开软启动单元，断开软启动开关，闭合第二开关，并闭合第一开关，形成充电回路，开始对飞跨电容进行充电，并利用左右两侧母线的电压的差值，形成不同的充电路径，分别对两侧的飞跨电容进行预充电，完成软启动。无需在飞跨电容与主电路的连线中增加开关或功率半导体器件，且与传统的采用飞跨电容正极预充(即在正极上增加开关器件)相比，本发明的预充电电路基于负极预充，无需在正极上增加开关器件，能够有效减少预充电电路的器件数量，能够简化预充电电路结构，且预充电电路设置第一钳位二极管以及第二钳位二极管，能够使得预充过程更加安全。且本发明的预充电电路并不需要在飞跨电容与开关管单元的连线中增加开关或功率半导体器件，在软启动完成后也不会成为电路拓扑的一部分，不会影响变换器系统的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的飞跨电容三电平变换器的电路结构示意图。

图2是本发明实施例的飞跨电容三电平变换器预充电过程的第一时刻至第二时刻的电流路径示意图。

图3是本发明实施例的飞跨电容三电平变换器预充电过程的第五时刻至第六时刻的电流路径示意图。

图4是本发明另一实施例的飞跨电容三电平变换器的电路结构示意图。

图5是本发明另一实施例的飞跨电容三电平变换器的电路结构示意图。

附图标记：

变换器模块100、开关管单元110、第二开关管Sa1、飞跨电容C1；第一电容C2、第二电容C3、第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、第二开关K1、第一开关K2、软启动单元200、第四开关K3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三开关K4；电感L1；第三电阻R3；放电模块300、第五开关K5、第四电阻R4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器，基于负极预充的预充电电路能够应用于飞跨电容三电平变换器上对飞跨电容等的电容进行预充电，使得飞跨电容的电压值为输入电压值的一半，能够有效避免两相交错变换器的电路拓扑中的功率半导体器件在导通的瞬间出现过压损坏。

实施例一

请参考图1，本发明提供一种基于负极预充的预充电电路，包括充电模块，充电模块包括两组，每组充电模块包括第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、第一开关K2、软启动单元200以及第二开关K1，两个第一钳位二极管D1的正极分别用于连接于飞跨电容三电平变换器两侧的第一电容C2与第二电容C3之间，其中，飞跨电容三电平变换器同一侧的第一电容C2与第二电容C3串联后连接于正母线和负母线上，两个第一钳位二极管D1的负极分别用于与飞跨电容三电平变换器两侧的飞跨电容C1的正极连接，两个第二钳位二极管D2的负极分别对应地与两个第一钳位二极管D1的正极连接，第二钳位二极管D2的正极分别用于与飞跨电容C1的负极连接，两个第一开关K2的一端分别用于与飞跨电容C1的负极连接，第一开关K2的另一端与负母线连接，两个第二开关K1分别与正母线的两侧串联，软启动单元200分别与两个第二开关K1并联，软启动单元200闭合后用于对两侧的母线充电，第一开关K2以及第二开关K1闭合后用于对飞跨电容C1充电。

本发明实施例提供一种基于负极预充的预充电电路，在接入电池或者电网后，通过闭合软启动单元200分别为两侧的母线充电，当两侧母线电压达到预定值时，断开软启动单元200，闭合第二开关K1，并闭合第一开关K2，形成充电回路，同时，利用左右两侧母线的电压的差值，开始对飞跨电容C1进行充电，形成不同的充电路径，分别对两侧的飞跨电容C1进行预充电，完成软启动。与传统的采用飞跨电容C1的正极预充(即在正极上增加开关器件)相比，本发明的预充电电路基于负极预充，无需在正极上增加开关器件，能够有效减少预充电电路的器件数量，能够简化预充电电路结构，且预充电电路设置第一钳位二极管D1以及第二钳位二极管D2，能够使得预充过程更加安全。且本发明的预充电电路并不需要在飞跨电容C1与开关管单元110的连线中增加开关或功率半导体器件，在软启动完成后也不会成为电路拓扑的一部分，不会影响变换器系统的使用寿命。

其中，在本实施例中，软启动单元200包括第四开关K3以及第一电阻R1，第四开关K3以及第一电阻R1串联。

在本实施例中，第一开关K2为第一开关管，充电模块还包括第二电阻R2，第一开关管的发射极与负母线连接，第一开关管的集电极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与飞跨电容C1的负极连接。通过设置第二电阻R2，能够对第一开关K2起保护作用。

实施例二

请参考图5，基于负极预充的预充电电路还包括第三开关K4，第三开关K4的一端用于连接于第一电容C2与第二电容C3之间，第三开关K4的另一端连接于第一钳位二极管D1与第二钳位二极管D2之间。在本实施例中，在第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2以及第一电容C2和第二电容C3之间设置第三开关K4，能够消除第一钳位二极管D1以及第二钳位二极管D2所产生的电流尖峰。

实施例三

本发明还提供一种飞跨电容三电平变换器，包括：变换器模块以及充电模块。

变换器模块包括两组，变换器模块包括开关管单元110、飞跨电容C1、第一电容C2以及第二电容C3，飞跨电容C1与开关管单元110一一对应设置，开关管单元110分别与正母线和负母线连接，两组开关管单元110之间通过电感L1连接，飞跨电容C1与对应的开关管单元110并联，第一电容C2的负极与第二电容C3的正极连接，第一电容C2的正极与正母线连接，第二电容C3的负极与负母线连接，变换器模块对称设置于正母线和负母线的两侧；

充电模块包括两组，每组充电模块包括第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2、第一开关K2、软启动单元200以及第二开关K1，两个第一钳位二极管D1的正极分别连接于两组变换器模块的第一电容C2与第二电容C3之间，两个第一钳位二极管D1的负极分别与两组变换器模块的飞跨电容C1的正极连接，两个第二钳位二极管D2的负极分别对应地与两个第一钳位二极管D1的正极连接，第二钳位二极管D2的正极分别用于与飞跨电容C1的负极连接，两个第一开关K2的一端分别用于与飞跨电容C1的负极连接，第一开关K2的另一端与负母线连接，两个第二开关K1分别与正母线的两侧串联，软启动单元200分别与两个第二开关K1并联，软启动单元200闭合后用于对两侧的母线充电，第一开关K2以及第二开关K1闭合后用于对飞跨电容C1充电。

其中，本发明实施例的一种飞跨电容三电平变换器为双向变换器，在变换器使用时，正母线的一侧和负母线的一侧可作为输入端或输出端，正母线和负母线的另一侧则对应为输出端或输入端。输入端以及输出端并不限制于某一侧，而是可根据使用情况进行调整。

在本实施例中，第一电容C2与第二电容C3串联分压。并通过设置第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2能够飞跨电容C1的双重钳位，使得预充过程中更加安全。

可以理解的是，在本实施例中，飞跨电容三电平变换器中包含左侧母线和右侧母线，一组变换器模块设置于左侧母线上，并分别与左侧的正母线和负母线连接，另一组变换器模块设置于右侧母线上，并分别与右侧的正母线和负母线连接。两组变换器模块的构成相同，结构也相同。

实施例四

请参考图1，开关管单元110包括四个第二开关管Sa1，每一个第二开关管Sa1串联，位于两端的一个第二开关管Sa1的一端与正母线连接，位于两端的另一个第二开关管Sa1的一端与负母线连接。

具体地，一组开关管单元110的第二开关管Sa1包括四个，从正母线到负母线的方向依次为第一个第二开关管Sa1、第二个第二开关管Sa1、第三个第二开关管Sa1以及第四个第二开关管Sa1。第一个第二开关管Sa1的集电极与正母线连接，第一个第二开关管Sa1的发射极与第二个第二开关管Sa1的集电极连接，第二个第二开关管Sa1的发射极与第三个第二开关管Sa1的集电极连接，第三个第二开关管Sa1的发射极与第四个第二开关管Sa1的集电极连接，第四个第二开关管Sa1的发射极与负母线连接。两组开关管单元110均以上述形式连接，并分别设置于两侧的正母线和负母线。每个第二开关管Sa1的集电极和发射极均连接一个二极管，该二极管能够避免当电流反向时由于第二开关管Sa1中不存在通路而导致过电压使得器件损坏。

其中，在本实施例中，第二开关管Sa1为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)即绝缘栅双极型晶体管。可以理解的是，第二开关管Sa1还可以采用其他的半导体功率器件，并采用T4电源作为半导体功率器件的驱动电路电源。半导体功率器件运行故障率低，开关速度快，为飞跨电容C1充电时采用PWM工作模式，精确控制飞跨电容C1的电压。

更具体地，两组开关管单元110之间通过电感L1连接，电感L1的一端连接于其中一组的开关管单元110的第二个第二开关管Sa1以及第三个第二开关管Sa1之间(即第二个第二开关管Sa1的发射极与第三个第二开关管Sa1的集电极之间)，电感L1另一端连接于另一组的开关管单元110的第二个第二开关管Sa1以及第三个第二开关管Sa1之间(即第二个第二开关管Sa1的发射极与第三个第二开关管Sa1的集电极之间)。电感L1起到滤波限流的作用。可以理解的是，当两侧的母线对应的开关管单元110的数量分别大于一组时，对应设置相应的电感L1。

请参考图1，飞跨电容C1的正极连接于第一个第二开关管Sa1与第二个第二开关管Sa1之间，飞跨电容C1的负极连接于第三个第二开关管Sa1与第四个第二开关管Sa1之间。两组变换器模块100的飞跨电容C1与开关管单元110的连接方式均相同，在此不再赘述。

其中，开关管单元110包括两组，对应地，飞跨电容C1的数量也为两个。在本实施例中，飞跨电容C1的数量根据开关管单元110的数量进行调整。基于负极预充的预充电电路对飞跨电容C1进行充电并不限制与两组开关管单元110。

实施例五

请参考图4，飞跨电容三电平变换器还包括若干个第三电阻R3，第三电阻R3分别与第一电容C2、第二电容C3以及飞跨电容C1并联。在本实施例中，每个第一电容C2、第二电容C3以及飞跨电容C1均分别与一个第三电阻R3并联，通过第三电阻R3，使得在飞跨电容三电平变换器使用完毕后，可以通过第三电阻R3对第一电容C2、第二电容C3以及飞跨电容C1进行放电。

实施例六

请参考图1，变换器模块还包括放电模块300，放电模块300用于释放存储于第一电容C2以及第二电容C3的电能，放电模块300的两端分别与正母线和负母线连接。在飞跨电容三电平变换器使用完毕后，需要对第一电容C2以及第二电容C3等的电容进行放电，通过设置放电模块300能够对第一电容C2以及第二电容C3等的电容放电，避免飞跨电容三电平变换器损坏。

在本实施例中，放电模块300包括第五开关K5以及第四电阻R4，第五开关K5与第四电阻R4串联。具体地，第五开关K5的一端与正母线连接，第五开关K5的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与负母线连接。更具体地，在两侧的母线各设置一个放电模块300，其中一组放电模块300的第五开关K5的一端与左侧的正母线连接，第五开关K5的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与左侧的负母线连线，放电模块300位于左侧的软启动单元200与第一电容C2和第二电容C3之间。另一组放电模块300的第五开关K5的一端与右侧的正母线连接，第五开关K5的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与右侧的负母线连线，放电模块300位于右侧的软启动单元200与第一电容C2和第二电容C3之间。

在使用飞跨电容三电平变换器完毕后，闭合第二开关K1以及第五开关K5后，通过第四电阻R4能够对飞跨电容三电平变换器中的第一电容C2以及第二电容C3等的所有电容放电，且第一钳位二极管D1能够为飞跨电容C1的预充电提供放电的回路。而通过设置第三电阻R3能够对各自并联的电容进行放电。能够确保在使用飞跨电容三电平变换器完毕后，能够对电容进行放电，避免飞跨电容三电平变换器损坏。

可以理解的是，图4实施例中的第三电阻R3可根据需要选择设置或者不设置，若设置第三电阻R3的情况下，放电模块300对所有的第一电容C2以及第二电容C3等的电容进行放电，而第三电阻R3则对其并联的电容进行放电。若在不设置第三电阻R3的情况下，则利用放电模块对所有的第一电容C2以及第二电容C3等的电容进行放电。

可以理解的是，第二开关K1至第五开关K5可采用小功率开关，能够有效降低成本，以及第二开关K1与第五开关K5还可以采用继电器、接触器、断路器或功率半导体器件等的常见的开关器件。第一电阻R1以及第四电阻R4可以采用功率电阻或是其他常见的电阻，根据设计成本或功率等的需求进行选择。

实施例六

请参考图1，本发明实施例提供一种基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器，开关管单元110中的各个第二开关管Sa1依次串联，第一个的第二开关管Sa1的一端与正母线连接，第四个的第二开关管Sa1的一端与负母线连接，飞跨电容C1的正极连接于第一个的第二开关管Sa1与第二个的第二开关管Sa1之间，飞跨电容C1的负极连接于第三个的第二开关管Sa1与第四个的第二开关管Sa1之间。两组开关管单元110的第二开关管Sa1以及飞跨电容C1的连接方式相同，一组开关管单元110位于正负母线的左侧，另一组开关管单元110位于正负母线的右侧。电感L1的一端连接于同一组的开关管单元110的第二个第二开关管Sa1与第三个第二开关管Sa1之间，电感L1的另一端连接于另一组的开关管单元110的第二个第二开关管Sa1与第三个第二开关管Sa1之间。在使用基于负极预充的预充电电路时，正负母线的左侧可以作为输入端也可以作为输出端，对应地，正负母线的右侧可以作为输出端也可以作为输入端，基于负极预充的预充电电路具备能量双向流动能力，输入端和输出端的位置可以进行调换。当正负母线的左侧作为输入端，正负母线的右侧作为输出端时，左侧的飞跨电容C1即为输入端的飞跨电容C1，右侧的飞跨电容C1即为输出端的飞跨电容C1。本发明的基于负极预充的预充电电路能够同时对输入端的飞跨电容C1以及输出端的飞跨电容C1进行充电，无需分别针对输入端的飞跨电容C1以及输出端的飞跨电容C1分别设计预充电电路，能够简化整个预充电电路的结构。

在正负母线的左侧设置有第一电容C2和第二电容C3，第一电容C2与第二电容C3串联，在正负母线的左侧设置有放电模块300，放电模块300中的第五开关K5以及第四电阻R4串联，第一电容C2和第二电容C3位于放电模块300以及开关管单元110之间。在正负母线的右侧同样设置有第一电容C2、第二电容C3以及放电模块300，连接方式以及设置位置与正负母线的左侧相同。其中一个第二开关K1的两端连接于正母线的左侧，另一个第二开关K1的两端连接于正母线的右侧，对应地，一组软启动单元200与位于左侧的第二开关K1并联，另一组软启动单元200与位于右侧的第二开关K1并联，更具体地，软启动单元200中的第四开关K3与第一电阻R1串联后与第二开关K1并联。第一钳位二极管D1的正极连接于第一电容C2与第二电容C3之间，第一钳位二极管D1的负极与飞跨电容C1的正极连接，第二钳位二极管D2的负极与第一钳位二极管D1的正极连接，第二钳位二极管D2的正极与飞跨电容C1的负极连接，第一开关K2的一端与飞跨电容C1的负极连接，第一开关K2的另一端与负母线连接，其中，两侧的母线的第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2以及第一开关K2的连接方式均相同，在此不再赘述。

请参考图2以及图3，在进行预充电时，分为以下8个时刻：

第一时刻，闭合左侧的软启动单元200的第四开关K3，为左侧母线进行充电。此时，右侧的飞跨电容C1以及右侧的第一电容C2和第二电容C3的电压有所上升；

第二时刻，左侧母线电压充电到预定值时，闭合第二开关K1，断开第四开关K3。其中，预定值为人为设定，可根据预充电过程的参数进行预设。

其中，在第一时刻至第二时刻的过程中，左侧母线充电时，两侧的飞跨电容C1的电压也会有少量上充，此时的充电电流路径如图2所示。在第一时刻至第二时刻中，充电路径如下：从左侧的第一电容C2至第二电容C3，其中一部分电流从左侧的第一电容C2至左侧的第一钳位二极管D1、左侧的飞跨电容C1、左侧的开关管单元110的第三个第二开关管Sa1反并联的二极管、电感L1、右侧的开关管单元110的第二个第二开关管Sa1反并联的二极管、部分电流流向第一个第二开关管Sa1反并联的二极管，部分电流流向右侧的飞跨电容C1，流经第一个第二开关管Sa1反并联的二极管的电流流向右侧的第一电容C2和第二电容C3，流经右侧的飞跨电容C1的电流流向右侧的第二钳位二极管D2后流经第二电容C3。

第三时刻，闭合右侧的软启动单元200的第四开关K3，为右侧母线进行充电。

第四时刻，右侧母线电压充电到预定值时，闭合第二开关K1，断开第四开关K3。其中，预定值为人为设定，可根据预充电过程的参数进行预设。

第五时刻，左侧的第一开关K2闭合，对左侧的飞跨电容C1进行充电直至左侧的飞跨电容C1充到预定值(即飞跨电容C1的电压等于输入电压的二分之一)。同时，由于对左侧的飞跨电容C1进行充电后，右侧母线的电压会比左边更高，右侧的飞跨电容C1也会进行一定量的充电。

第六时刻，右侧的第一开关K2闭合，左侧的飞跨电容C1预充电至预定值，同时，由于右侧的母线电压高于左侧的母线电压，对右侧的飞跨电容C1形成充电路径，对右侧的飞跨电容C1进行充电。

其中，第五时刻至第六时刻，左侧的飞跨电容C1进行预充电时，由于右侧的母线电压高于左侧的母线电压，右侧的第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2的中点电位高于左侧的第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2的中点电位，右侧的飞跨电容C1的电压也有上升。对右侧的飞跨电容C1形成充电路径，充电路径如图3所示，右侧的充电路径如下：从右侧的第一钳位二极管D1、右侧的飞跨电容C1、右侧的第三个第二开关管Sa1反并联的二极管、电感L1、左侧的第二个第二开关管Sa1反并联的二极管、左侧的飞跨电容C1到左侧的第一开关K2，形成充电回路。当右侧母线电压低于左侧母线电压时，为右侧的飞跨电容C1充电的路径不存在。左侧的充电路径为第一电容C2、左侧的第一钳位二极管D1、左侧的飞跨电容C1到左侧的第一开关K2，形成充电回路。

第七时刻，变换器模块的电路(即主功率电路)开始工作，将右侧的飞跨电容C1调整至预定值，即右侧的飞跨电容C1的电压等于输入电压的二分之一。

第八时刻，电感L1的电流达到额定值，飞跨电容三电平变换器进入稳态。

完成预充电后，可通过闭合第二开关K1，飞跨电容三电平变换器能够正常运行。在使用完毕后，闭合第五开关K5，对第一电容C2和第二电容C3等的电容进行放电。

上述基于负极预充的预充电电路，通过闭合软启动单元200分别为两侧的母线充电，当两侧母线电压达到预定值时，断开软启动单元200，闭合第二开关K1，并闭合第一开关K2，形成充电回路，同时，利用左右两侧母线的电压的差值，开始对飞跨电容C1进行充电，形成不同的充电路径，分别对两侧的飞跨电容C1进行预充电，完成软启动。与传统的采用飞跨电容C1的正极预充(即在正极上增加开关器件)相比，本发明的预充电电路基于负极预充，无需在正极上增加开关器件，能够有效减少预充电电路的器件数量，能够简化预充电电路结构，且预充电电路设置第一钳位二极管D1以及第二钳位二极管D2，能够使得预充过程更加安全。且本发明的预充电电路并不需要在飞跨电容C1与开关管单元110的连线中增加开关或功率半导体器件，在软启动完成后也不会成为电路拓扑的一部分，不会影响变换器系统的使用寿命。

请参考图4，本发明另一实施例提供一种基于负极预充的预充电电路以及飞跨电容三电平变换器，与图1不同的是，增设了第三开关K4。第三开关K4的一端连接于第一电容C2与第二电容C3之间，第三开关K4的另一端连接于第一钳位二极管D1与第二钳位二极管D2之间。在本实施例中，在第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2以及第一电容C2和第二电容C3之间设置第三开关K4，能够消除第一钳位二极管D1以及第二钳位二极管D2所产生的电流尖峰。

本实施例的基于负极预充的预充电电路的运作方式与图1实施例中的运行方式类似，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于负极预充的预充电电路，其特征在于，包括：

充电模块，所述充电模块包括两组，每组所述充电模块包括第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一开关、软启动单元以及第二开关，两个所述第一钳位二极管的正极分别用于连接于飞跨电容三电平变换器两侧的第一电容与第二电容之间，其中，飞跨电容三电平变换器同一侧的所述第一电容与第二电容串联后连接于正母线和负母线上，两个所述第一钳位二极管的负极分别用于与飞跨电容三电平变换器两侧的飞跨电容的正极连接，两个所述第二钳位二极管的负极分别对应地与两个所述第一钳位二极管的正极连接，所述第二钳位二极管的正极分别用于与所述飞跨电容的负极连接，两个所述第一开关的一端分别用于与所述飞跨电容的负极连接，所述第一开关的另一端与负母线连接，两个所述第二开关分别与正母线的两侧串联，所述软启动单元分别与两个所述第二开关并联，所述软启动单元闭合后用于对两侧的母线充电，所述第一开关以及第二开关闭合后用于对所述飞跨电容充电。

2.如权利要求1所述的基于负极预充的预充电电路，其特征在于，所述充电模块还包括第三开关，所述第三开关的一端用于连接于所述第一电容与第二电容之间，所述第三开关的另一端连接于同一组所述充电模块的第一钳位二极管与第二钳位二极管之间。

3.如权利要求1所述的基于负极预充的预充电电路，其特征在于，所述软启动单元包括第四开关以及第一电阻，所述第四开关以及第一电阻串联。

4.如权利要求1所述的基于负极预充的预充电电路，其特征在于，所述第一开关为第一开关管，所述充电模块还包括第二电阻，所述第一开关管的发射极与负母线连接，所述第一开关管的集电极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端用于与所述飞跨电容的负极连接。

5.一种飞跨电容三电平变换器，其特征在于，包括：

变换器模块，所述变换器模块包括两组，所述变换器模块包括开关管单元、飞跨电容、第一电容以及第二电容，所述飞跨电容与所述开关管单元一一对应设置，所述开关管单元分别与正母线和负母线连接，两组所述开关管单元之间通过电感连接，所述飞跨电容与对应的所述开关管单元并联，所述第一电容的负极与所述第二电容的正极连接，所述第一电容的正极与正母线连接，所述第二电容的负极与负母线连接，所述变换器模块对称设置于正母线和负母线的两侧；

充电模块，所述充电模块包括两组，每组所述充电模块包括第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一开关、软启动单元以及第二开关，两个所述第一钳位二极管的正极分别连接于两组所述变换器模块的第一电容与第二电容之间，两个所述第一钳位二极管的负极分别与两组所述变换器模块的飞跨电容的正极连接，两个所述第二钳位二极管的负极分别对应地与两个所述第一钳位二极管的正极连接，所述第二钳位二极管的正极分别与所述飞跨电容的负极连接，两个所述第一开关的一端分别与所述飞跨电容的负极连接，所述第一开关的另一端与负母线连接，两个所述第二开关分别与正母线的两侧串联，所述软启动单元分别与两个所述第二开关并联，所述软启动单元闭合后用于对两侧的母线充电，所述第一开关以及第二开关闭合后用于对所述飞跨电容充电。

6.如权利要求5所述的飞跨电容三电平变换器，其特征在于，还包括若干个第三电阻，所述第三电阻分别与第一电容、第二电容以及飞跨电容并联。

7.如权利要求5所述的飞跨电容三电平变换器，其特征在于，所述变换器模块还包括放电模块，所述放电模块用于释放存储于所述第一电容以及第二电容的电能，所述放电模块的两端分别与正母线和负母线连接。

8.如权利要求7所述的飞跨电容三电平变换器，其特征在于，所述放电模块包括第五开关以及第四电阻，所述第五开关与所述第四电阻串联。

9.如权利要求5所述的飞跨电容三电平变换器，其特征在于，所述开关管单元包括四个第二开关管，每一所述第二开关管串联，第一个所述第二开关管的一端与正母线连接，第四个所述第二开关管的一端与负母线连接，所述飞跨电容的正极连接于第一个所述第二开关管与第二个所述第二开关管之间，所述飞跨电容的负极连接于第三个所述第二开关管与第四个所述第二开关管之间。

10.如权利要求9所述的飞跨电容三电平变换器，其特征在于，所述电感的一端连接于其中一组所述开关管单元的第二个所述第二开关管与第三个所述第二开关管，所述电感的另一端连接于另一组所述开关管单元的第二个所述第二开关管与第三个所述第二开关管。

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