CN113949258B - 一种电容预充电电路及开关电容器转换器 - Google Patents

一种电容预充电电路及开关电容器转换器 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种电容预充电电路及开关电容器转换器，包括：输入电压正极与第一取样电阻一端及第一开关管第一级相连，第一取样电阻另一端与第二取样电阻一端相连，第一开关管第二极与飞跨电容一端相连，飞跨电容另一端与第二开关管第一级相连，第二取样电阻另一端及第二开关管第二极与输入电压负极相连；第一比较器第一输入与第一取样电阻另一端相连，第一比较器第二输入与飞跨电容一端相连，第一比较器输出与第二比较器及第三比较器第一输入相连，第二比较器及第三比较器第二输入与电压VGS相连，第二比较器输出与第一开关管第三极相连，第三比较器输出与第二开关管第三极相连，通过模拟电路的方式，可以提升充电响应速度并简化控制流程。

Description

一种电容预充电电路及开关电容器转换器
技术领域
本申请涉及开关电容器转换器，特别地涉及用于开关电容器转换器启动控制的电容预充电电路。
背景技术
目前，包括三电平降压转换器(Buck Converter，Buck转换器)和三电平升压转换器(Boost Converter，Boost转换器)在内的电源转换器，具有开关器件电压应力减半的优点，以及具有滤波斩波电抗的电流频率增加一倍和纹波减小一倍的优势，这为提升传输功率等级和减小磁性元件体积带来了解决方案，从而在大功率、大电压的电力变换中广泛使用。在实际应用中，电源转换器在发波前需要保证飞跨电容Cfly两端的电压建立为输入电压Uin的一半。因此，在启动电源转换器前，所述飞跨电容Cfly需要进行软启动步骤，以实现飞跨电容Cfly的预充电。
目前，已有的预充电方案多是通过控制主电路开关管，或者通过额外的充电回路采样监测来控制其飞跨电容Cfly两端的电压为输入电压Uin的一半，这些方案中涉及的电路结构复杂性，并且会由于采样监测而带来相应的延迟与误差。
发明内容
本申请实施例提供一种电容预充电电路及开关电容器转换器，所述预充电电路包括：三个比较器（COMP、COMPup、COMPdown），两个取样电阻（Rup、Rdown），两个构成预充电回路的开关管（Qup、Qdown）以及调整充电速度的限流电阻Rcharge，本申请实施例通过以上器件构成的模拟电路进行电容预充电，可以有效提升预充电电路的响应速度并简化控制流程。
第一方面，本申请实施例提供了一种电容预充电电路，包括：
一种电容预充电电路，其特征在于，所述电路包括：第一比较器COMP、第二比较器COMPup、第三比较器COMPdown、第一取样电阻Rup、第二取样电阻Rdown、第一开关管Qup、第二开关管Qdown以及飞跨电容Cfly，其中，输入电压Uin的正极与所述第一取样电阻Rup的一端相连、以及与所述第一开关管Qup的第一级相连，所述第一取样电阻Rup的另一端与所述第二取样电阻Rdown的一端相连，所述第一开关管Qup的第二极与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述飞跨电容Cfly的另一端与所述第二开关管Qdown的第一级相连，所述第二取样电阻Rdown的另一端以及所述第二开关管Qdown的第二极与所述输入电压Uin的负极相连；所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第一比较器COMP的第二输入端与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第一比较器COMP的输出端与所述第二比较器COMPup的第一输入端相连、以及与所述第三比较器COMPdown的第一输入端相连，所述第二比较器COMPup的第二输入端的电压为VGS，所述第二比较器COMPup的输出端与所述第一开关管Qup的第三极相连，所述第三比较器COMPdown的第二输入端的电压为VGS，所述第三比较器COMPdown的输出端与所述第二开关管Qdown的第三极相连。
在本申请实施例中，通过所述第一取样电阻Rup和所述第二取样电阻Rdown控制所述第一比较器COMP的第一输入端的电压为所述输入电压Uin的一半；所述第一开关管Qup、所述第二开关管Qdown以及所述飞跨电容Cfly共同构成预充电回路。所述电容预充电电路通过比较器（COMP、COMPup、COMPdown）监测和控制预充电过程，所述第一比较器COMP、所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown通过模拟量控制所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown的连通或闭合，进而自动控制所述飞跨电容Cfly的电压稳定至所述输入电压Uin的一半，而无需在预充电过程中进行数字采样检测，也无需通过外加控制器对预充电电路进行控制，减小了电路的复杂性，避免了采样过程带来的充电延迟与误差，可以有效提升预充电电路的响应速度并简化预充电的控制流程。
在一种可能的实现方式中，所述电路还包括：限流电阻Rcharge，其中，所述第一开关管Qup的第二极通过所述限流电阻Rcharge与所述飞跨电容Cfly的一端相连。
在本申请实施例中，通过设置所述限流电阻Rcharge可以控制预充电电路的充电电流和充电速度，极大地减小了控制电路的复杂性，简化了预充电的控制流程，提高预充电电路的适用性。
在一种可能的实现方式中，所述第一比较器COMP为滞回比较器。
在本申请实施例中，通过将第一比较器COMP设置为滞回比较器，可以解决在电源转换器主电路正常工作时，由所述电容Cfly产生的波动引起所述第一比较器COMP的输出出现同频抖动的问题，提高了预充电电路输出动作的抗干扰性。
在一种可能的实现方式中，所述电路还包括：第一电阻R1、第二电阻R2和双向稳压管Uz，其中，所述第一比较器COMP的第二输入端通过所述第一电阻R1与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第二电阻R2的一端相连于所述第一比较器COMP的第二输入端与所述第一电阻R1之间，所述第二电阻R2的另一端与所述第一比较器COMP的输出端相连、以及与所述双向稳压管Uz的一端相连，所述双向稳压管Uz的另一端接地。
在一种可能的实现方式中，所述第一电阻R1、所述第二电阻R2以及所述双向稳压管Uz满足：
Figure 516856DEST_PATH_IMAGE001
其中，△U为所述第一比较器COMP允许的滞回电压变化区间，R1为所述第一电阻R1的阻值，R2为所述第二电阻R2的阻值，Uz为所述双向稳压管的稳压值，β为分压传递比，所述分压传递比表示电压从所述电容传至所述第一比较器COMP的缩比。
在本申请实施例中，通过所述第一电阻R1、所述第二电阻R2和所述双向稳压管Uz控制所述第一比较器COMP的滞回电压区间△U，从而避免了所述飞跨电容Cfly产生的波动引起所述第一比较器COMP的输出出现同频抖动的问题；进一步地，通过所述双向稳压管Uz控制所述第一比较器COMP的输出电压为稳定值，从而使所述第一比较器COMP的输出动作具有抗干扰性。
在一种可能的实现方式中，所述电路还包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6，其中，所述第一比较器COMP的第一输入端通过所述第三电阻R3与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第四电阻R4的一端连接于所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第三电阻R3之间，所述第四电阻R4的另一端接地，所述飞跨电容Cfly的一端通过所述第五电阻R5与所述第一电阻R1相连，所述第六电阻R6的一端连接于所述第五电阻R5与所述第一电阻R1之间，所述第六电阻R6的另一端接地。
在一种可能的实现方式中，所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5以及所述第六电阻R6满足：
Figure 981335DEST_PATH_IMAGE002
其中，R3为所述第三电阻R3的阻值，R4为所述第四电阻R4的阻值，R5为所述第五电阻R5的阻值，R6为所述第六电阻R6的阻值。
在本申请实施例中，通过所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5以及所述第六电阻R6进行分压，进而控制电压从所述飞跨电容Cfly传递至所述第一比较器COMP的缩比，以使所述第一比较器COMP的输出端的电压符合目标要求，从而保证了第一比较器COMP的输出的准确性。
在一种可能的实现方式中，所述电路可以应用于三电平Buck电路、三电平Buck电路变换的多相交错电路、三电平Boost电路、功率因数校正模块(PFC)、数字电源以及各种隔离拓扑的变压器中。
第二方面，本申请实施例提供了一种多电平电源逆变器，所述逆变器包括如上述第一方面所述的电容预充电电路。
第三方面，本申请实施例提供了一种电源转换器，所述转换器包括如如上述第一方面所述的电容预充电电路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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为本申请实施例提供的一种三电平Buck转换器电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图；
图3为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图；
图4为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图。
具体实施方式
本申请的实施例部分使用的术语仅用于对本发明的具体实施例进行解释，而非旨在限定本发明。本申请实施例中提到的第一比较器、第一取样电阻、第一开关管、第一电阻以及第一主电路开关管中的“第一”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一，该规则同样适用于“第二”、“第三”和“第四”等。
请参照图1，图1为本申请实施例提供的一种三电平Buck转换器电路示意图。所述电路包括：输入电压Uin、飞跨电容Cfly、第一主电路开关管Q1、第二主电路开关管Q2、第三主电路开关管Q3、第四主电路开关管Q4、斩波电抗L、支撑电容C0以及负载R0，其中，所述输入电压Uin的正极与所述第一主电路开关管Q1的第一端相连，所述第一主电路开关管Q1的第二端与所述飞跨电容Cfly一端相连、以及与所述第二主电路开关管Q2的第一端相连，所述第二主电路开关管Q2的第二端与所述第三主电路开关管Q3的第一端相连、以及与所述斩波电抗L的一端相连，所述第三主电路开关管Q3的第二端与所述飞跨电容Cfly的另一端相连、以及与所述第四主电路开关管Q4的第一端相连，所述斩波电抗L的另一端与所述支撑电容C0的一端相连、以及与负载R0的一端相连，所述第四主电路开关管Q4的第二端、所述支撑电容C0的另一端以及所述负载R0的另一端与所述输入电压Uin的负极相连。具体地，所述第一主电路开关管Q1和所述第二主电路开关管Q2组成上桥臂，所述第三主电路开关管Q3和所述第四主电路开关管Q4组成下桥臂，A为中性点。
进一步地，所述三电平Buck转换器电路包括：充电开关管和放电开关管；所述充电开关管包括所述第一主电路开关管Q1和所述第三主电路开关管Q3，所述第一主电路开关管Q1和所述第三主电路开关管Q3位于所述飞跨电容Cfly的充电回路中且连接于所述飞跨电容Cfly的两侧；所述放电开关管包括第二主电路开关管Q2和所述第四主电路开关管Q4，所述第二主电路开关管Q2和所述第四主电路开关管Q4位于所述飞跨电容Cfly的放电回路中且连接于所述飞跨电容Cfly的两侧。其中，所述飞跨电容Cfly的充电时长由驱动所述充电开关管的导通时长决定，所述飞跨电容Cfly的放电时长由驱动所述放电开关管的导通时长决定。
进一步地，所述第一主电路开关管Q1、所述第二主电路开关管Q2、所述第三主电路开关管Q3以及所述第四主电路开关管Q4为IGBT管或MOS管。示例性的，所述第一主电路开关管Q1、所述第二主电路开关管Q2、所述第三主电路开关管Q3以及所述第四主电路开关管Q4在出厂时均还包括：一二极管Di和一电容Ci，其中，所述主电路开关管Qi的第一极与所述一二极管Di的阴极相连、以及与所述一电容Ci的一端相连，其公共端作为第i主电路开关管的第一端，所述主电路开关管Qi的第二级与所述一二极管Di的阳极相连、以及与所述一电容Ci的另一端相连，其公共端作为所述第i主电路开关管的第二端，i＝1，2，3，4。
所述三电平Buck转换器电路采用降低电压的直流-直流转换技术，使所述负载R0端的电压U0低于所述输入电压Uin，但其输出电流会大于输入电流。根据不同的应用场合，所述电路可以有多种拓扑结构。与传统的降压拓扑结构相比，三电平Buck转换器电路中所述的各个主电路开关管的电压应力更低，输出滤波器尺寸更小，更容易实现高功率密度，提高系统的效率，非常适用于高输入电压和中大功率的应用场合。
而能够实现以上三电平Buck转换器电路带来的优势，前提是所述飞跨电容Cfly上的电压能够稳定在所述输入电压Uin的一半。因此，三电平Buck转换器电路启动环节是该电路工作中的一个重要问题，三电平Buck转换器电路在开始工作前，需要将跨接在两桥臂中点A处的所述飞跨电容Cfly预充电至所述输入电压Uin的一半。理想工作状况下，第一主电路开关管Q1和所述第二主电路开关管Q2的占空比相同，所述飞跨电容Cfly的电压恒定为所述输入电压Uin的一半。此时，三电平Buck转换器电路的所有所述主电路开关管所要承受的电压为所述输入电压Uin的一半，所述斩波电抗L的电流iL具有倍频效果，这有利于减小输出三电平转换器电路的体积，实现高功率密度，在满足同样的纹波要求时，开关频率可降低，从而降低开关损耗。
在实际应用中，在电路启动之前，所有所述开关管都处于关闭状态，所述飞跨电容Cfly上的电压为零；当在正常运行模式下直接启动所述三电平Buck转换器，所有所述主电路开关管将承受全部的所述输入电压Uin，这样就失去了所述三电平Buck转换器具有的最大好处。因此，在所述三电平Buck转换器启动前，需要经过一个软启动环节，来实现对所述飞跨电容Cfly的预充电，即在所有所述主电路开关管发波前，将所述飞跨电容Cfly的电压建立为所述输入电压Uin的一半。当前，较多的预充电方案都是通过控制所述主电路开关管，或者通过额外的充电回路进行采样监测以控制所述飞跨电容Cfly的电压为输入电压Uin的一半，这些方案存在电路复杂，由于采样而带来相应的延迟与误差等问题。
因此，基于以上现有技术中存在的问题，本申请实施例提供一种电容预充电电路及开关电容器转换器，所述预充电电路包括：三个比较器（COMP、COMPup、COMPdown），两个取样电阻（Rup、Rdown），两个构成预充电回路的开关管（Qup、Qdown）以及调整充电速度的限流电阻Rcharge，通过以上器件构成模拟电路的方式，可以有效提升预充电电路的响应速度并简化控制流程。此外，将所述第一比较器COMP设计为滞回比较器COMP，可以解决电源转换器在运行过程中所述飞跨电容Cfly两端的电压产生的微小波动，而引起所述第一比较器COMP输出产生同频抖动的问题，提高了所述第一比较器COMP输出的抗干扰性。
请参照图2，图2为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图，所述电容预充电电路适用于上述三电平Buck转换器中。所述电容预充电电路包括：第一比较器COMP、第二比较器COMPup、第三比较器COMPdown、第一取样电阻Rup、第二取样电阻Rdown、第一开关管Qup、第二开关管Qdown以及飞跨电容Cfly，其中，输入电压Uin的正极与所述第一取样电阻Rup的一端相连、以及与所述第一开关管Qup的第一级相连，所述第一取样电阻Rup的另一端与所述第二取样电阻Rdown的一端相连，所述第一开关管Qup的第二极与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述飞跨电容Cfly的另一端与所述第二开关管Qdown的第一级相连，所述第二取样电阻Rdown的另一端以及所述第二开关管Qdown的第二极与所述输入电压Uin的负极相连；所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第一比较器COMP的第二输入端与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第一比较器COMP的输出端与所述第二比较器COMPup的第一输入端相连、以及与所述第三比较器COMPdown的第一输入端相连，所述第二比较器COMPup的第二输入端的电压为VGS，所述第二比较器COMPup的输出端与所述第一开关管Qup的第三极相连，所述第三比较器COMPdown的第二输入端的电压为VGS，所述第三比较器COMPdown的输出端与所述第二开关管Qdown的第三极相连。
具体地，通过所述第一取样电阻Rup和所述第二取样电阻Rdown控制所述第一比较器COMP的第一输入端的电压为所述输入电压Uin的一半，因此，Rup=Rdown。示例性的，为了减小后续所述预充电电路的损耗，将所述第一取样电阻Rup和所述第二取样电阻Rdown设计为2.2MΩ。
具体地，所述第一开关管Qup、所述第二开关管Qdown以及所述飞跨电容Cfly共同构成预充电回路。所述第一比较器COMP第一输入端（即负输入端）的输入电压为所述输入电压Uin的一半，所述第一比较器COMP第二输入端（即正输入端）的输入电压为所述飞跃电容Cfly的电压。那么，当所述第一比较器COMP第一输入端的输入电压大于所述第一比较器COMP第二输入端的输入电压时，所述第一比较器COMP输出端的输出电压为低电平；当所述第一比较器COMP第一输入端的输入电压小于等于所述第一比较器COMP第二输入端的输入电压时，所述第一比较器COMP输出端的输出电压为高电平。示例性的，所述第一比较器COMP的输出低电平电压为-10V，所述第一比较器COMP的输出高电平电压为15V。
进一步地，所述第一比较器COMP输出端的输出电压同时输入所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第一输入端（即负输入端），所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端（即正输入端）的输入电压均为VGS。那么，当第一比较器COMP输出端的输出电压为低电平时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第一输入端的电压小于所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，此时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown输出端的输出电压为所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，进而所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown被导通，构成电容预充电回路；当第一比较器COMP输出端的输出电压为高电平时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第一输入端的电压大于所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，此时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown输出端的输出电压为0，进而所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown被关闭，完成电容预充电。示例性的，设置所述电压VGS为14V。
可以理解的是，所述电容预充电电路通过比较器（COMP、COMPup、COMPdown）监测和控制预充电过程，所述第一比较器COMP、所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown通过模拟量控制所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown的连通或闭合，进而自动控制所述飞跨电容Cfly的电压稳定至所述输入电压Uin的一半，而无需在预充电过程中进行数字采样检测，也无需通过外加控制器对预充电电路进行控制，减小了电路的复杂性，避免了采样过程带来的充电延迟与误差，可以有效提升预充电电路的响应速度并简化预充电的控制流程。
进一步地，所述电容预充电电路还包括：限流电阻Rcharge，其中，所述第一开关管Qup的第二极通过所述限流电阻Rcharge与所述飞跨电容Cfly的一端相连。
可以理解的是，在本申请实施例中，在构成所述电容预充电回路后，所述输入电压Uin接入到所述飞跨电容Cfly两侧，虽然，所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown具有导通内阻，但是，所述导通内阻为mΩ量级，因此，预充电的电流非常大。那么，通过设计限流电阻Rcharge，可以控制所述预充电电路的充电电流和充电速度，提高了所述预充电电路的稳定性，简化了预充电的控制流程，提高了所述预充电电路的适用性。示例性的，设置所述限流电阻Rcharge为10Ω。
进一步地，所述电容预充电电路可以应用于三电平Buck电路、三电平Buck电路变换的多相交错电路、三电平Boost电路、功率因数校正模块(PFC)、数字电源以及各种隔离拓扑的变压器中。
请参照图3，图3为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图。不同于图2中所述的电容预充电电路，图3中所述的电容预充电电路将所述第一比较器COMP设计为双限滞回比较器，并且图3中所述的电容预充电电路还包括：第一电阻R1、第二电阻R2和双向稳压管Uz，其中，所述第一比较器COMP的第二输入端通过所述第一电阻R1与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第二电阻R2的一端相连于所述第一比较器COMP的第二输入端与所述第一电阻R1之间，所述第二电阻R2的另一端与所述第一比较器COMP的输出端相连、以及与所述双向稳压管Uz的一端相连，所述双向稳压管Uz的另一端接地。
可以理解的是，在实际应用中，由于上述三电平Buck转换器的主电路开关管Q1-Q4的开通时间不同，进而导致所述飞跨电容Cfly的充放电不平衡，那么，所述飞跨电容Cfly的电压会升高或降低，这将使传统比较器的输出电压产生同频抖动，进而影响三电平Buck转换器的最佳工作状态，也会使主电路开关管Q1-Q4的电压应力增大。因此，本申请实施例通过将所述第一比较器COMP设计为双限滞回比较器，使第一比较器COMP的输出电压具有抗干扰性。
进一步地，所述第一比较器COMP的滞回电压区间△U由所述第一电阻R1、所述第二电阻R2以及所述双向稳压管Uz设置：
Figure 915793DEST_PATH_IMAGE001
其中，R1为所述第一电阻R1的阻值，R2为所述第二电阻R2的阻值，Uz为所述双向稳压管的稳压值，β为分压传递比，所述分压传递比表示电压从所述电容传至所述第一比较器COMP的缩比。
具体地，所述双向稳压管Uz用于控制所述第一比较器COMP的电压输出为稳定值，所述分压传递比β用于控制电压从所述飞跨电容Cfly传至所述第一比较器COMP的缩比，以使所述第一比较器COMP输出端的电压符合目标要求。示例性的，所述双向稳压管Uz的稳压值为15V；所述双向稳压管Uz控制所述第一比较器COMP输出的低电平电压为所述双向稳压管Uz的负压-10V，所述第一比较器COMP输出的高电平电压为所述双向稳压管Uz的正压15V；所述第一电阻R1的阻值和所述第二电阻R2的阻值分别为R2=24R1=24kΩ。
进一步地，所述电容预充电电路可以应用于三电平Buck电路、三电平Buck电路变换的多相交错电路、三电平Boost电路、功率因数校正模块(PFC)、数字电源以及各种隔离拓扑的变压器中。
除此之外，图3中所示的所述电容预充电电路中还包括的：第二比较器COMPup、第三比较器COMPdown、第一取样电阻Rup、第二取样电阻Rdown、第一开关管Qup、第二开关管Qdown、飞跨电容Cfly以及限流电阻Rcharge的作用及其有益效果与图2中所述的电容预充电电路中对应器件的作用及有益效果相同，这里不在重复描述。
请参照图4，图4为本申请实施例提供的一种电容预充电电路示意图。在图3中所述的电容预充电电路的基础上，图4中所述的电容预充电电路还包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6，其中，所述第一比较器COMP的第一输入端通过所述第三电阻R3与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第四电阻R4的一端连接于所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第三电阻R3之间，所述第四电阻R4的另一端接地，所述飞跨电容Cfly的一端通过所述第五电阻R5与所述第一电阻R1相连，所述第六电阻R6的一端连接于所述第五电阻R5与所述第一电阻R1之间，所述第六电阻R6的另一端接地。
可以理解的是，通过所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5以及所述第六电阻R6进行分压，进而控制电压从所述飞跨电容Cfly传递至所述第一比较器COMP的缩比，以使所述第一比较器COMP输出端的电压符合目标要求，从而保证了第一比较器COMP输出的准确性。
进一步地，所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5以及所述第六电阻R6满足：
Figure 174736DEST_PATH_IMAGE002
其中，R3为所述第三电阻R3的阻值，R4为所述第四电阻R4的阻值，R5为所述第五电阻R5的阻值，R6为所述第六电阻R6的阻值。
示例性的，在保证所述分压传递比β为最大输入的情况下，并使所述第一比较器COMP第二输入端的输入电压在允许范围内，选取所述分压传递比β=10；选取所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5、所述第六电阻R6为较大阻值，分别为：R3= R5=9 MΩ，R4= R6=1 MΩ。
进一步地，所述电容预充电电路可以应用于三电平Buck电路、三电平Buck电路变换的多相交错电路、三电平Boost电路、功率因数校正模块(PFC)、数字电源以及各种隔离拓扑的变压器中。
除此之外，图4中所示的所述电容预充电电路中包括的：第一比较器COMP、第二比较器COMPup、第三比较器COMPdown、第一取样电阻Rup、第二取样电阻Rdown、第一开关管Qup、第二开关管Qdown、飞跨电容Cfly、限流电阻Rcharge、第一电阻R1、第二电阻R2以及双向稳压管Uz的作用及其有益效果与图2和图3中所述的电容预充电电路中各器件的作用及有益效果相同，这里不在重复描述。
以上，具体描述了本申请实施例提供的电容预充电电路部分的实施例。下面，将详细描述所述电容预充电电路的充电过程。
示例性的，所述预充电电路的充电过程包括：
首先，所述输入电压Uin上电，所述输入电压Uin施加在所述第一取样电阻Rup、所述第二取样电阻Rdown、所述第一开关管Qup、所述第二开关管Qdown以及所述飞跨电容Cfly上，所述第一比较器COMP第一输入端（即负输入端）的电压为所述输入电压Uin的一半。
具体地，所述输入电压Uin上电，第一时刻，所述第一开关管Qup、所述第二开关管Qdown未导通，所述飞跨电容Cfly上电压为零，进而，所述第一比较器COMP第二输入端（即正输入端）的电压为零，而所述第一比较器COMP第一输入端（即负输入端）的电压为所述输入电压Uin的一半。此时，所述第一比较器COMP第一输入端的电压大于所述第一比较器COMP第二输入端的电压，因此，所述第一比较器COMP输出端的输出电压为低电平。示例性的，设置所述输入电压Uin为200V，所述负载R0为20Ω，所述负载R0两端的电压U0为80V，所述斩波电抗L为60uF，所述第一比较器COMP输出端的输出电压低电平为所述双向稳压管Uz的负压-10V。
然后，基于所述第一比较器COMP输出端的输出电压，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown通过比较所述第一比较器COMP输出端的输出电压和所述第二比较器以及所述第三比较器第二输入端（即正输入端）的电压VGS，控制所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown导通。
具体地，所述第一比较器COMP输出端的输出电压同时输入所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown的第一输入端（即负输入端），所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端（即正输入端）的电压为VGS。当所述第一比较器COMP输出端的输出电压为低电平时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第一输入端的电压小于所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，此时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown输出端的输出电压为所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，进而，所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown被导通，构成电容预充电回路。示例性的，设置所述电压VGS为14V。
接着，当所述电容预充电完成时，所述第一比较器COMP的第二输入端（即正输入端）的电压为所述飞跨电容Cfly的电压。
具体地，当所述电容预充电完成时，所述第一比较器COMP第一输入端（即负输入端）的电压为所述输入电压Uin的一半，所述第一比较器COMP第二输入端（即正输入端）的电压为所述飞跨电容Cfly的电压，此时，所述第一比较器COMP第一输入端的电压小于所述第一比较器COMP第二输入端的电压，因此，所述第一比较器COMP输出端的输出电压为高电平。示例性的，所述第一比较器COMP输出端的输出电压高电平为所述双向稳压管Uz的正压15V。
最后，基于所述第一比较器COMP输出端的输出电压，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown通过比较所述第一比较器COMP输出端的输出电压和所述第二比较器COMPup以及所述第三比较器COMPdown第二输入端（即正输入端）的电压VGS，控制所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown关闭。
具体地，所述第一比较器COMP输出端的输出电压同时输入所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown的第一输入端（即负输入端），所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第二输入端（即正输入端）的电压VGS。当所述第一比较器COMP输出端的输出电压为高电平时，所述第二比较器COMPup和所述第三比较器COMPdown第一输入端的电压大于所述第二比较器COMPup以及所述第三比较器COMPdown第二输入端的电压VGS，此时，所述第二比较器COMPup和第三比较器COMPdown输出端的输出电压为0，进而，所述第一开关管Qup和所述第二开关管Qdown被关闭，完成电容预充电。
本申请实施例还提供了一种多电平电源逆变器，所述逆变器包括如上述图2-图4中任一所述的电容预充电电路。
本申请实施例还提供了一种电源转换器，所述转换器包括如上述图2-图4中任一所述的电容预充电电路。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容预充电电路，其特征在于，所述电路包括：第一比较器COMP、第二比较器COMPup、第三比较器COMPdown、第一取样电阻Rup、第二取样电阻Rdown、第一开关管Qup、第二开关管Qdown以及飞跨电容Cfly，其中，输入电压Uin的正极与所述第一取样电阻Rup的一端相连、以及与所述第一开关管Qup的第一极相连，所述第一取样电阻Rup的另一端与所述第二取样电阻Rdown的一端相连，所述第一开关管Qup的第二极与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述飞跨电容Cfly的另一端与所述第二开关管Qdown的第一极相连，所述第二取样电阻Rdown的另一端以及所述第二开关管Qdown的第二极与所述输入电压Uin的负极相连；所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第一比较器COMP的第二输入端与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第一比较器COMP的输出端与所述第二比较器COMPup的第一输入端相连、以及与所述第三比较器COMPdown的第一输入端相连，所述第二比较器COMPup的第二输入端的电压为VGS，所述第二比较器COMPup的输出端与所述第一开关管Qup的第三极相连，所述第三比较器COMPdown的第二输入端的电压为VGS，所述第三比较器COMPdown的输出端与所述第二开关管Qdown的第三极相连。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：限流电阻Rcharge，其中，所述第一开关管Qup的第二极通过所述限流电阻Rcharge与所述飞跨电容Cfly的一端相连。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一比较器COMP为滞回比较器。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第一电阻R1、第二电阻R2和双向稳压管Uz，其中，所述第一比较器COMP的第二输入端通过所述第一电阻R1与所述飞跨电容Cfly的一端相连，所述第二电阻R2的一端相连于所述第一比较器COMP的第二输入端与所述第一电阻R1之间的连接点，所述第二电阻R2的另一端与所述第一比较器COMP的输出端相连、以及与所述双向稳压管Uz的一端相连，所述双向稳压管Uz的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述第一电阻R1、所述第二电阻R2以及所述双向稳压管Uz满足：
Figure 339775DEST_PATH_IMAGE001
其中，△U为所述第一比较器COMP允许的滞回电压变化区间，R1为所述第一电阻R1的阻值，R2为所述第二电阻R2的阻值，Uz为所述双向稳压管的稳压值，β为分压传递比，所述分压传递比表示电压从所述飞跨电容Cfly传递至所述第一比较器COMP的缩比。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6，其中，所述第一比较器COMP的第一输入端通过所述第三电阻R3与所述第一取样电阻Rup的另一端相连，所述第四电阻R4的一端连接于所述第一比较器COMP的第一输入端与所述第三电阻R3之间的连接点，所述第四电阻R4的另一端接地，所述飞跨电容Cfly的一端通过所述第五电阻R5与所述第一电阻R1相连，所述第六电阻R6的一端连接于所述第五电阻R5与所述第一电阻R1之间的连接点，所述第六电阻R6的另一端接地。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第五电阻R5以及所述第六电阻R6满足：
Figure 588353DEST_PATH_IMAGE002
其中，R3为所述第三电阻R3的阻值，R4为所述第四电阻R4的阻值，R5为所述第五电阻R5的阻值，R6为所述第六电阻R6的阻值。
8.根据权利要求1-7中任一项所述电路，其特征在于，所述电路可以应用于三电平Buck电路、三电平Buck电路变换的多相交错电路、三电平Boost电路、功率因数校正模块(PFC)、数字电源以及各种隔离拓扑的变压器中。
9.一种多电平电源逆变器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的电容预充电电路。
10.一种电源转换器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的电容预充电电路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7265606B1 (en) * 2004-09-02 2007-09-04 National Semiconductor Corporation Apparatus and method for a boot strap circuit for a boost voltage converter
JP5103084B2 (ja) * 2007-07-26 2012-12-19 ローム株式会社 チャージポンプ回路ならびにその制御回路
JP5290565B2 (ja) * 2007-11-13 2013-09-18 ローム株式会社 チャージポンプ回路ならびにその制御回路
KR102352890B1 (ko) * 2015-05-06 2022-01-19 삼성전자주식회사 플라잉 커패시터 전압 제어를 위한 회로들을 가지는 dc-dc 컨버터 및 그에 따른 전압 제어 방법
US10447158B2 (en) * 2016-07-01 2019-10-15 Texas Instruments Incorporated Reducing voltage rating of devices in a multilevel converter
US10075080B1 (en) * 2017-07-18 2018-09-11 Texas Instruments Incorporated Three-level converter using an auxiliary switched capacitor circuit
US10554124B1 (en) * 2018-10-01 2020-02-04 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-level buck converter with current limit and 50% duty cycle control
CN109515248A (zh) * 2018-12-14 2019-03-26 蜂巢能源科技有限公司 电动汽车预充电完成判断电路及预充电装置
CN110545040A (zh) * 2019-09-11 2019-12-06 阳光电源股份有限公司 一种三电平Buck电路及其控制方法

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