CN114665697A - 飞跨电容预充电路及三电平变换器 - Google Patents

Abstract

本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及飞跨电容预充电路及三电平变换器，其中，飞跨电容预充电路与三电平变换器连接，飞跨电容预充电路包括采样电路、充放电电路和控制电路，采样电路用于同步采样所述三电平变换器的飞跨电容的电压并输出采样电压，充放电电路用于对飞跨电容充电或者放电，控制电路用于输出驱动信号给采样电路以控制采样电路对飞跨电容的电压进行同步采样，控制电路还用于根据采样电压控制充放电电路对飞跨电容进行充电或者放电以维持飞跨电容的电压稳定在预设范围内。本申请的飞跨电容预充电路实现了更为稳定的飞跨电容预充电的目的，解决了飞跨电容的电压难以监测和控制的问题，提升三电平变换器的转换效率。

Description

飞跨电容预充电路及三电平变换器

技术领域

本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及飞跨电容预充电路及三电平变换器。

背景技术

在对移动电子设备的电池进行充电时，需要将输入的电压转换成电池所需要的电压和电流，随着移动电子设备充电器的充电功率的增加，充电器的功率密度也在提高，这就对充电器的转换效率提出更高的要求，三电平变换器作为一种高转换效率的电路被广泛应用。

如图1所示的是一种降压型三电平变换器的电路示意图，其中，Q1和Q4的驱动信号互补，Q1是主动管，Q4是同步整流管，Q2和Q3驱动信号互补，Q2是主动管，Q3是同步整流管。Q1和Q2的相位差180度，占空比一致，输出电压Vout由输入电压和占空比决定。

在三电平变换器启动时，飞跨电容Cfly的电压为零，在这种情况下直接起动会导致加在一些器件上的电压应力接近输入电压Vin，为了使三电平变换器的各个器件始终工作在低电压状态，一般需要对飞跨电容Cfly进行预充电。但目前对飞跨电容Cfly进行预充电的电路结构都比较复杂，并且难以对飞跨电容Cfly的电压进行监测，导致当飞跨电容Cfly的预充电电压出现偏离目标电压时无法及时调整，从而降低三电平变换器的转换效率。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了飞跨电容预充电路及三电平变换器，旨在解决传统的飞跨电容预充电路难以对飞跨电容的电压进行监测和控制，导致变换器的效率降低和输出纹波变大的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种飞跨电容预充电路，与三电平变换器连接，所述三电平变换器包括第一主动开关管、第二主动开关管、第一同步整流管、第二同步整流管和飞跨电容，所述第一主动开关管、所述第二主动开关管、所述第一同步整流管和所述第二同步整流管依次串联在所述三电平变换器的输入和地端之间，所述飞跨电容的第一端与所述第一主动开关管和所述第二主动开关管的串联节点连接，所述飞跨电容的第二端与所述第一同步整流管和所述第二同步整流管的串联节点连接，其特征在于，所述飞跨电容预充电路包括：采样电路，与所述飞跨电容的第一端连接，用于同步采样所述飞跨电容的电压并输出采样电压；充放电电路，与所述飞跨电容的第一端连接，用于对所述飞跨电容充电或者放电；以及控制电路，分别与充放电电路和所述采样电路连接，用于输出驱动信号驱动所述采样电路对所述飞跨电容的进行电压采样，以及所述第二同步整流管导通所述飞跨电容的充放电回路，所述控制电路还用于根据所述采样电压控制所述充放电电路对所述飞跨电容进行充电或者放电，以维持所述飞跨电容的电压稳定在预设范围内。

在其中一个实施例中，所述预设范围为所述三电平变换器的输入电压的50%±10%。

在其中一个实施例中，所述采样电路包括采样单元和同步单元；所述同步单元分别与所述飞跨电容的第一端、所述控制电路和所述采样单元的第一端连接，所述同步单元用于在接收到所述控制电路的驱动信号时导通所述采样单元和所述飞跨电容的第一端之间的连接；所述采样单元的第一端还与所述控制电路连接，所述采样单元的第二端接地，所述采样单元用于在所述同步单元导通时在所述采样单元的第一端输出所述采样电压。

在其中一个实施例中，所述同步单元包括反相器和第一开关管；所述反相器的输入端与所述控制电路连接，所述反相器的输出端与所述第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第一导通端与所述飞跨电容的第一端连接，所述第一开关管的第二导通端与所述采样单元的第一端连接。

在其中一个实施例中，所述采样单元包括第一采样电容，所述第一采样电容的第一端与所述第一开关管的第二导通端连接，所述第一采样电容的第二端接地。

在其中一个实施例中，所述充放电电路包括充电单元和放电单元；所述充电单元的第一端与所述三电平变换器的输入连接，所述充电单元的第二端与所述飞跨电容的第一端连接，所述充电单元的控制端与所述控制电路连接，用于根据所述控制电路的控制对所述飞跨电容充电；所述放电单元的第一端与所述飞跨电容的第一端连接，所述放电单元的第二端接地，所述放电单元的控制端与所述控制电路连接，用于根据所述控制电路的控制对所述飞跨电容放电。

在其中一个实施例中，所述充电单元包括充电电流源，所述放电单元包括放电电流源；所述充电电流源的第一端与所述三电平变换器的输入连接，所述充电电流源的第二端与所述飞跨电容的第一端连接，所述充电电流源的控制端与所述控制电路连接；所述放电电流源的第一端与所述飞跨电容的第一端连接，所述放电电流源的第二端接地，所述放电电流源的控制端与所述控制电路连接。

在其中一个实施例中，所述控制电路包括相互连接的控制逻辑单元和比较单元；所述比较单元的输入端连接至所述采样电路，接入所述采样电压，用于将所述采样电压分别与过压门限电压、欠压门限电压进行比较，并在；所述控制逻辑单元用于在所述采样电压大于所述过压门限电压且持续一定时间时，触发启动过压保护，在所述采样电压低于所述欠压门限电压且持续一定时间时，触发启动欠压保护；所述控制逻辑单元的所述过压保护和所述过压保护为控制所述三电平变换器关闭。

在其中一个实施例中，所述比较单元包括第一电压比较器、第二电压比较器和第三电压比较器；所述第一电压比较器的第一输入端、所述第二电压比较器的第一输入端和所述第三电压比较器的第一输入端共同连接至所述采样电路，用于接入所述采样电压；所述第一电压比较器的输出端、所述第二电压比较器的输出端和所述第三电压比较器的输出端分别与所述控制逻辑单元连接；所述第一电压比较器的第二输入端用于接入目标电压，所述第二电压比较器的第二输入端用于接入过压门限电压，所述第三电压比较器的第二输入端用于接入欠压门限电压。

在其中一个实施例中，还包括稳压电路和选择电路；所述稳压电路的输入端与所述三电平变换器的输入连接，所述稳压电路的输出端与所述选择电路的第一输入端连接，所述选择电路的第二输入端与所述采样电路连接；所述稳压电路用于稳定所述三电平变换器的输入电压并输出给所述选择电路，所述选择电路用于将所述稳压电路输出的电压或者所述采样电路输出的所述采样电压选择其一输出，以提供一个辅助偏置电源

本申请实施例的第二方面提供了一种三电平变换器，包括第一主动开关管、第二主动开关管、第一同步整流管、第二同步整流管、飞跨电容、第一电感和第一滤波电容；所述第一主动开关管、所述第二主动开关管、所述第一同步整流管和所述第二同步整流管依次串联在所述三电平变换器的输入和地端之间，所述飞跨电容的第一端与所述第一主动开关管和所述第二主动开关管的串联节点连接，所述飞跨电容的第二端与所述第一同步整流管和所述第二同步整流管的串联节点连接，所述第一电感的第一端与所述第二主动开关管和所述第一同步整流管的串联节点连接，所述第一电感的第二端与所述第一滤波电容的第一端连接且连接所述三电平变换器的输出端，所述第一滤波电容的第二端接地；还包括上述任一实施例的飞跨电容预充电路，所述飞跨电容预充电路分别与所述飞跨电容的第一端、所述第二同步整流管的控制端以及所述三电平变换器的输入连接。

本申请与传统技术方案相比的有益效果是：通过控制电路输出驱动信号控制采样电路对三电平变换器的飞跨电容的电压进行同步采样，这里的同步采样是指由于采样电路和第二同步整流管由同一驱动信号同步驱动，使得采样电路的采样电压和飞跨电容的电压一致，使得对飞跨电容电容的电压的检测和处理变得更为容易。控制电路还通过充放电电路对飞跨电容进行充电或者放电，以维持飞跨电容的电压稳定在预设范围内，实现了更为稳定的飞跨电容预充电的目的，解决了飞跨电容的电压难以监测和控制的问题，从而提升了三电平变换器的转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中三电平变换器的电路示意图；

图2为本申请一实施例提供的飞跨电容预充电路的原理示意图；

图3为本申请另一实施例提供的飞跨电容预充电路的原理示意图；

图4为本申请另一实施例提供的飞跨电容预充电路的原理示意图；

图5为本申请另一实施例提供的飞跨电容预充电路的电路原理图；

图6为本申请一实施例提供的飞跨电容预充电路正常工作时飞跨电容电压的时序图；

图7为本申请一实施例提供的飞跨电容预充电路启动过压保护时飞跨电容电压的时序图；

图8为本申请一实施例提供的飞跨电容预充电路启动欠压保护时飞跨电容电压的时序图；

图9为本申请另一实施例提供的三电平变换器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图2所示，本申请实施例第一方面提供一种飞跨电容预充电路10，飞跨电容预充电路10与三电平变换器20连接，三电平变换器20包括第一主动开关管Q1、第二主动开关管Q2、第一同步整流管Q3、第二同步整流管Q4和飞跨电容Cfly，第一主动开关管Q1、第二主动开关管Q2、第一同步整流管Q3和第二同步整流管Q4依次串联在三电平变换器20的输入Vin和地端之间，飞跨电容Cfly的第一端与第一主动开关管Q1和第二主动开关管Q2的串联节点连接，飞跨电容Cfly的第二端与第一同步整流管Q3和第二同步整流管Q4的串联节点连接。其中，Q1、Q2、Q3和Q4的控制端用于分别接入驱动电压，Q1和Q4的驱动电压信号互补，Q2和Q3驱动电压信号互补，Q1、Q2的驱动电压相位差180度，占空比一致。为了使三电平变换器20的各个器件始终工作在低电压状态，需要在开关管Q1、Q2、Q3和Q4起动前，将飞跨电容Cfly的电压预充到输入Vin电压的一半即Vin/2附近。

可以理解的是，这里的三电平变换器20的具体电路结构只是为了更好的说明本申请实施例提供的飞跨电容预充电路与三电平变换器20的连接关系，三电平变换器20的具体电路结构不应理解为对本申请实施例的限制。

请参阅图2所示，飞跨电容预充电路10包括采样电路100、充放电电路200和控制电路300。采样电路100与飞跨电容Cfly的第一端连接，采样电路100用于同步采样飞跨电容Cfly的电压并输出采样电压VDD。充放电电路200与飞跨电容Cfly的第一端连接，充放电电路200用于对飞跨电容Cfly充电或者放电。控制电路300分别与充放电电路200和采样电路100连接，控制电路300用于输出驱动信号给采样电路100以控制采样电路100对飞跨电容Cfly的电压进行同步采样，该驱动信号还用于驱动第二同步整流管Q4导通以导通飞跨电容Cfly的充放电回路，这里的同步采样是指由于采样电路100和第二同步整流管Q4由同一驱动信号同步驱动，使得采样电路100的采样电压VDD和飞跨电容Cfly的电压一致，对飞跨电容Cfly电容的电压监测就变成对采样电压Vdd的监测，这样检测和处理飞跨电容Cfly的电压变得更加容易。

控制电路300还用于根据采样电压VDD控制充放电电路200对飞跨电容Cfly进行充电或者放电以维持飞跨电容Cfly的电压稳定在预设范围内。

本申请实施例第一方面提供的飞跨电容预充电路10，通过控制电路300输出驱动信号控制采样电路100对飞跨电容Cfly的电压进行同步采样，这里的同步采样是指由于采样电路100和第二同步整流管Q4由同一驱动信号同步驱动，使得采样电路100的采样电压VDD和飞跨电容Cfly的电压一致，控制电路300通过充放电电路200对飞跨电容Cfly进行充电或者放电，以维持飞跨电容Cfly的电压稳定在预设范围内，使得对飞跨电容Cfly电容的电压的检测和处理变得更为容易。本申请实施例实现了更为稳定的飞跨电容Cfly预充电的目的，解决了飞跨电容的电压难以监测和控制的问题，从而提升了三电平变换器的转换效率。

请参阅图2所示，其中一个实施例中，预设范围为三电平变换器20的输入Vin电压的50%±10%。为了使三电平变换器20的各个器件始终工作在低电压状态，需要在开关管Q1、Q2、Q3和Q4起动前，将飞跨电容Cfly的电压预充到输入Vin电压的一半即Vin/2附近，在实际工作中，飞跨电容Cfly的电压预充后的电压可能不会一直维持在Vin/2，会有一定的波动。只要飞跨电容Cfly的电压维持在该可接受的预设范围内，就可认为飞跨电容Cfly的电压符合预期的Vin/2。

请参阅图3，其中一个实施例中，采样电路100包括采样单元110和同步单元120。同步单元120分别与飞跨电容Cfly的第一端、控制电路300和采样单元110的第一端连接，同步单元120用于在接收到控制电路300的驱动信号时导通采样单元110和飞跨电容Cfly的第一端之间的连接，

采样单元110的第一端还与控制电路300连接，采样单元110的第二端接地，采样单元110用于在同步单元120导通时在采样单元110的第一端输出采样电压VDD，该采样电压VDD与飞跨电容Cfly的电压相等。

由于控制电路300的驱动信号还用于驱动第二同步整流管Q4，因此，同步单元120的导通和关断与第二同步整流管Q4的导通和关断保持一致，使得采样单元110的第一端输出的采样电压VDD和飞跨电容Cfly的电压保持一致，并且采样单元110以地为基准地，使得对飞跨电容Cfly电压的检测和处理变得更为准确。

可以理解的是，在对飞跨电容Cfly进行预充期间，第二同步整流管Q4和同步单元120所接入同一驱动信号都是由控制电路300产生的，飞跨电容Cfly预充完成之后，三电平变换器20开始启动并通过驱动开关管Q1-Q4，此时驱动开关管Q1-Q4所使用的驱动信号是由控制三电平变换器20的控制电路产生，也就是在三电平变换器20正常工作状态下，同步单元120所接入的驱动信号可以使用控制三电平变换器20的控制电路产生的驱动信号。只需要确保同步单元120的导通和关断与第二同步整流管Q4的导通和关断保持一致即可，这里的驱动信号在三电平变换器20的不同工作状态下具体是由控制电路300还是其他控制电路不做具体限制。进一步地，在一些实施例中，控制电路300还用于输出驱动信号驱动开关管Q1-Q4以实现三电平变换器20的输出电压控制，此时不论是预充阶段或是启动阶段，第二同步整流管Q4和同步单元120所接入同一驱动信号都是由控制电路300产生的。

请参阅图5，进一步地，其中一个实施例中，同步单元120包括反相器F1和第一开关管Q5。反相器F1的输入端与控制电路300连接，反相器F1的输出端与第一开关管Q5的控制端连接，第一开关管Q5的第一导通端与飞跨电容Cfly的第一端连接，第一开关管Q5的第二导通端与采样单元110的第一端连接。第一开关管Q5可以是P型场效应晶体管，第一开关管Q5的源极与飞跨电容Cfly的第一端连接，第一开关管Q5的漏极与采样单元110的第一端连接，第一开关管Q5的栅极与反相器F1的输出端连接，由于第一开关管Q5为P沟道型场效应晶体管，第一开关管Q5是负压驱动，当栅极电压比源极电压低时可以开通，而第二同步整流管Q4为N沟道型场效应晶体管，因此，在第一开关管Q5和第二同步整流管Q4采用同一驱动信号时，为确保第一开关管Q5和第二同步整流管Q4的开通和关断一致，采用反相器F1将控制电路300输出的驱动信号相位翻转后输出至第一开关管Q5的栅极。P沟道型场效应晶体管适合高端驱动即源极接电源的情况，可以理解地是在一些实施例中，第一开关管Q5还可以使用和第二同步整流管Q4类型一致的N沟道型场效应晶体管，此时反相器F1可以省去。

请参阅图5，进一步地，其中一个实施例中，采样单元110包括第一采样电容C1，第一采样电容C1的第一端与第一开关管Q5的第二导通端连接，第一采样电容C1的第二端接地。第一开关管Q5的和第二同步整流管Q4的开关动作完全一致，在这种情况下，第一采样电容C1上的电压就和飞跨电容Cfly上的电压相等，对飞跨电容Cfly的电压监测就变成对第一采样电容C1上的采样电压VDD的监测，因为第一采样电容C1的电压以地为基准地，所以对其电压的检测和处理变得更为容易，也即对飞跨电容Cfly的电压检测和处理变得更为容易。

请参阅图4，其中一个实施例中，充放电电路200包括充电单元210和放电单元220。充电单元210的第一端与输入Vin连接，充电单元210的第二端与飞跨电容Cfly的第一端连接，充电单元210的控制端与控制电路300连接，用于根据控制电路300的控制对飞跨电容Cfly充电。放电单元220的第一端与飞跨电容Cfly的第一端连接，放电单元220的第二端接地，放电单元220的控制端与控制电路300连接，用于根据控制电路300的控制对飞跨电容Cfly放电。

具体地，控制电路300通过判断采样电路100输出的采样电压VDD，三电平变换器20启动后处于正常工作状态下，此时采样电压VDD正常稳态应该为输入Vin电压的一半左右，当采样电压VDD的电压值大于预设的过压门限值时，控制电路300就可以控制放电单元220工作以对飞跨电容Cfly进行放电降压，当采样电压VDD的电压值低于预设的欠压门限值时，控制电路300就可以控制充电单元210工作以对飞跨电容Cfly进行充电升压，这样能够维持飞跨电容Cfly的电压稳定在输入Vin电压的一半附近，提高三电平变换器20 的稳定性。进一步地，可以理解的是，在三电平变换器20准备启动时，控制电路300控制充电单元210不工作，放电单元220工作，先对飞跨电容Cfly进行放电至零电压，然后再对飞跨电容Cfly进行预充电，这样能实现更为干净准确的预充电管理。

请参阅图5，其中一个实施例中，充电单元210包括充电电流源IC，放电单元220包括放电电流源ID。充电电流源IC的第一端与输入Vin连接，充电电流源IC的第二端与飞跨电容Cfly的第一端连接，充电电流源IC的控制端与控制电路300连接。放电电流源ID的第一端与飞跨电容Cfly的第一端连接，放电电流源ID的第二端接地，放电电流源ID的控制端与控制电路300连接。充电电流源IC和放电电流源ID可以是开环控制的电流源或闭环控制的电流源，也可以是高精度的电流源或低精度的电流源，也可以是电压和电阻串联产生电流，在实际电路中可以有很多种实现电流源的方式，本申请对充电电流源IC和放电电流源ID的实现方式不做限制。充电电流源IC和放电电流源ID大小可以是固定的，充电电流源IC和放电电流源ID的电流大小不受压差电压的影响，更加稳定，使得对飞跨电容Cfly的充电或者放电控制更接近预期目标。充电电流源IC和放电电流源ID大小也可以不固定，可以受电流源压差的影响，控制电路300控制电流源是否开启，在一些实施例中，充电单元210和放电单元220还可以使用普通的开关管和电阻串联来实现，控制电路300控制电阻的接入和断开，这样简化电路降低成本。

请参阅图5，其中一个实施例中，控制电路300包括相互连接的控制逻辑单元310和比较单元320。控制逻辑单元310比如是分立元件搭建的逻辑电路、集成逻辑电路、微处理器等。比较单元320的输入端连接至采样电路100，接入采样电压VDD，比较单元320用于将采样电压VDD分别与过压门限电压Vo、欠压门限电压Vp进行比较，控制逻辑单元310用于在采样电压VDD大于过压门限电压Vo且持续一定时间时，触发启动过压保护，在采样电压VDD低于欠压门限电压Vp且持续一定时间时，触发启动欠压保护。控制逻辑单元310的过压保护和过压保护为控制三电平变换器20关闭。在一实施例中，比较单元320可以和控制逻辑单元310集成在一起，比如具有比较功能的单片机。

请参阅图5，其中一个实施例中，比较单元320包括第一电压比较器U1、第二电压比较器U2和第三电压比较器U3。第一电压比较器U1的第一输入端、第二电压比较器U2的第一输入端和第三电压比较器U3的第一输入端共同连接至采样电路100，用于接入采样电压VDD，第一电压比较器U1的输出端、第二电压比较器U2的输出端和第三电压比较器U3的输出端分别与控制逻辑单元310连接。第一电压比较器U1的第二输入端用于接入目标电压Vp，第二电压比较器U2的第二输入端用于接入过压门限电压Vo，第三电压比较器U3的第二输入端用于接入欠压门限电压Vu。其中，目标电压Vp的值是输入Vin电压的二分之一，即Vp=Vin/2。过压门限电压Vo和欠压门限电压Vu的值可以根据需要进行设置。通过这三个电压比较器U1、U2和U3，分别将采样电压VDD和目标电压Vp、过压门限电压Vo以及欠压门限电压Vu进行比较，并输出比较结果给控制逻辑单元310，控制逻辑单元310根据该比较结果控制充放电电路200对飞跨电容Cfly进行充电或者放电，以维持飞跨电容Cfly的电压稳定在输入Vin的电压的二分之一。控制逻辑单元310可以在采样电压VDD大于过压门限电压Vo且持续一定时间时，触发启动过压保护，在采样电压VDD低于欠压门限电压Vu且持续一定时间时，触发启动欠压保护。

在一实施例中，控制逻辑单元310为具内置电压比较功能的单片机，此时第一电压比较器U1、第二电压比较器U2和第三电压比较器U3就可以省去，这样电路的集成度更高。

请参阅图5，其中一个实施例中，飞跨电容预充电路10还包括选择电路400和稳压电路500。稳压电路500的输入端与三电平变换器20的输入Vin连接，稳压电路500的输出端与选择电路400的第一输入端连接，选择电路400的第二输入端与采样电路100连接，稳压电路500用于将输入Vin的电压进行稳压后并输出给选择电路400，选择电路400用于将稳压电路500输出的电压或者采样电路100输出的采样电压VDD选择其一输出，以提供一个辅助偏置电源Vbias。因为三电平变换器20转换效率高，因此可以将采样电压VDD输出作为辅助偏置电源Vbias，提高电路效率，在实际应用中，当三电平变换器20未启动或者处于保护模式，此时飞跨电容Cfly的电压比较低或者为零，通过选择电路400选择稳压电路500输出的电压作为辅助偏置电源Vbias，当三电平变换器20正常工作时，飞跨电容Cfly的电压比较稳定，通过选择电路400选择采样电压VDD作为辅助偏置电源Vbias，在利用采样电压VDD的同时，增加电路的灵活性，能够提供高变换效率的辅助偏置电源Vbias，降低电路成本。

在一实施例中，参阅图5，稳压电路500包括低压差线性稳压芯片(LDO），选择电路400包括二选一数据选择器（MUX选择器）。

本申请实施例第一方面提供的飞跨电容预充电路10，通过控制电路300输出驱动信号控制采样电路100对飞跨电容Cfly的电压进行同步采样，控制电路300通过充放电电路200对飞跨电容Cfly进行充电或者放电，以维持飞跨电容Cfly的电压稳定在三电平变换器20的输入Vin电压的一半，使得对飞跨电容Cfly电容的电压的检测和处理变得更为容易，实现了更为稳定的飞跨电容Cfly预充电的目的，解决了飞跨电容Cfly的电压难以监测和控制的问题。

为了更好的说明本申请实施例提供的飞跨电容预充电路10的工作原理，下面结合电路的实际工作情况进行说明。

请结合图5参阅图6，图6所示为飞跨电容Cfly的预充启动过程中其电压VCfly的时序变化，T0至T1时间段表示在对飞跨电容Cfly进行预充电前，控制电路300先控制放电电流源ID工作，充电电流源IC停止工作，来对飞跨电容Cfly进行放电至零电压，便于实现更为干净的预充电管理。T1至T2时间段表示开始对飞跨电容Cfly进行预充电，控制电路300控制充电电流源IC开始工作，放电电流源ID停止工作，在此期间第二同步整流管Q4和第一开关管Q5导通动作一致，当飞跨电容Cfly的电压VCfly被充高到输入Vin电压的一半时即VCfly=Vp=Vin/2，充电电流源IC停止工作。T2至T3时间段表示三电平变换器20的Q1、Q2、Q3和Q4 开始软启动工作，在时间点T3启动完成，T3至T4时间段表示三电平变换器20正常工作，此时飞跨电容Cfly的电压VCfly维持在输入Vin电压的一半。在Q1、Q2、Q3和Q4 软启动和正常工作期间，Q5的驱动信号由Q4同步产生，可以同频同相，也可以是倍频关系。

当三电平变换器20由于一些原因例如负载和输入Vin的电压扰动，工作状态不对称等，会导致飞跨电容Cfly的电压VCfly出现偏离，如果偏离范围在可以接受的范围内，可以不采取任何措施，如果偏离范围偏大，则三电平变换器20的主电路电压应力变得不对称，电感电流纹波也会增加，需要采取保护措施。

请结合图5参阅图7，图7所示为飞跨电容Cfly的过压保护过程中其电压VCfly的时序变化，在T1时间点飞跨电容Cfly的电压VCfly开始向上偏离，在时间点T2，VCfly的值超过预设的过压门限电压Vo，控制逻辑单元310控制放电单元220开始工作。如果一定时间内即T2至T3时间段内VCfly的值不能下降到过压门限电压Vo以下，此时认为电路出现故障，开启重新启动程序，即Q1、Q2、Q3和Q4 停止工作，T3至T5时间段内对飞跨电容Cfly放电，T5至T6时间段内对飞跨电容Cfly预充，再启动Q1、Q2、Q3和Q4 。可以理解的是，如果故障继续存在，系统会反复重启直至故障消失。如果一定时间内即T2至T3时间段内VCfly的值降低到过压门限电压Vo以下（实际电路实现中加入迟滞电压），则控制逻辑单元310控制放电单元220停止工作。

请结合图5参阅图8，图8所示为飞跨电容Cfly的欠压保护过程中其电压VCfly的时序变化，在T0时间点飞跨电容Cfly的电压VCfly开始向下偏离，在T1时间点，VCfly的值低于预设的欠压门限电压Vu，控制逻辑单元310控制充电单元210开始工作。如果一定时间内即T1至T2时间段内VCfly的值不能上升到欠压门限电压Vu以上，此时认为电路出现故障，开启重新启动程序，即Q1、Q2、Q3和Q4 停止工作，T2至T4时间段内对飞跨电容Cfly放电，T4至T5时间段内对飞跨电容Cfly预充，再启动Q1、Q2、Q3和Q4 。可以理解地是，如果故障继续存在，系统会反复重启直至故障消失。如果一定时间内即T1至T2时间段内VCfly的值上升到欠压门限电压Vu以上（实际电路实现中加入迟滞电压），则控制逻辑单元310控制充电单元210停止工作。

通过上述实施例中的过压和欠压保护，能够为三电平变换器20提供可靠的保护，提高三电平变换器20的稳定性。

本申请实施例第一方面提供的飞跨电容预充电路10，通过控制电路300输出驱动信号控制采样电路100对飞跨电容Cfly的电压进行同步采样，这里的同步采样是指由于采样电路100和第二同步整流管Q4由同一驱动信号同步驱动，使得采样电路100的采样电压VDD和飞跨电容Cfly的电压一致，控制电路300通过充放电电路200对飞跨电容Cfly进行充电或者放电，以维持飞跨电容Cfly的电压稳定在预设范围内，使得对飞跨电容Cfly电容的电压的检测和处理变得更为容易，实现了更为稳定的飞跨电容Cfly预充电的目的，解决了飞跨电容的电压难以监测和控制的问题，从而提升了三电平变换器20的转换效率。

本申请实施例第二方面提供一种三电平变换器1，参阅图9，三电平变换器1包括第一主动开关管Q1、第二主动开关管Q2、第一同步整流管Q3、第二同步整流管Q4、飞跨电容Cfly、第一电感L和第一滤波电容Cout。

第一主动开关管Q1、第二主动开关管Q2、第一同步整流管Q3和第二同步整流管Q4依次串联在三电平变换器1的输入Vin和地端之间，飞跨电容Cfly的第一端与第一主动开关管Q1和第二主动开关管Q2的串联节点连接，飞跨电容Cfly的第二端与第一同步整流管Q3和第二同步整流管Q4的串联节点连接，第一电感L的第一端与第二主动开关管Q2和第一同步整流管Q3的串联节点连接，第一电感L的第二端与第一滤波电容Cout的第一端连接且连接三电平变换器1的输出端，第一滤波电容Cout的第二端接地。

其中，三电平变换器1还包括本申请实施例第一方面提供的飞跨电容预充电路10，飞跨电容Cfly的第一端、第二同步整流管Q4的控制端以及输入Vin分别与飞跨电容预充电路10连接。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种飞跨电容预充电路，与三电平变换器连接，所述三电平变换器包括第一主动开关管、第二主动开关管、第一同步整流管、第二同步整流管和飞跨电容，所述第一主动开关管、所述第二主动开关管、所述第一同步整流管和所述第二同步整流管依次串联在所述三电平变换器的输入和地端之间，所述飞跨电容的第一端与所述第一主动开关管和所述第二主动开关管的串联节点连接，所述飞跨电容的第二端与所述第一同步整流管和所述第二同步整流管的串联节点连接，其特征在于，所述飞跨电容预充电路包括：

采样电路，与所述飞跨电容的第一端连接，用于同步采样所述飞跨电容的电压并输出采样电压；

充放电电路，与所述飞跨电容的第一端连接，用于对所述飞跨电容充电或者放电；以及

控制电路，分别与充放电电路和所述采样电路连接，用于输出驱动信号驱动所述采样电路对所述飞跨电容的进行电压采样，以及所述第二同步整流管导通所述飞跨电容的充放电回路，所述控制电路还用于根据所述采样电压控制所述充放电电路对所述飞跨电容进行充电或者放电，以维持所述飞跨电容的电压稳定在预设范围内。

2.如权利要求1所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述预设范围为所述三电平变换器的输入电压的50%±10%。

3.如权利要求1所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述采样电路包括采样单元和同步单元；

所述同步单元分别与所述飞跨电容的第一端、所述控制电路和所述采样单元的第一端连接，所述同步单元用于在接收到所述控制电路的驱动信号时导通所述采样单元和所述飞跨电容的第一端之间的连接；

所述采样单元的第一端还与所述控制电路连接，所述采样单元的第二端接地，所述采样单元用于在所述同步单元导通时在所述采样单元的第一端输出所述采样电压。

4.如权利要求3所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述同步单元包括反相器和第一开关管；

所述反相器的输入端与所述控制电路连接，所述反相器的输出端与所述第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第一导通端与所述飞跨电容的第一端连接，所述第一开关管的第二导通端与所述采样单元的第一端连接。

5.如权利要求4所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述采样单元包括第一采样电容，所述第一采样电容的第一端与所述第一开关管的第二导通端连接，所述第一采样电容的第二端接地。

6.如权利要求1至5任一项所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述充放电电路包括充电单元和放电单元；

所述充电单元的第一端与所述三电平变换器的输入连接，所述充电单元的第二端与所述飞跨电容的第一端连接，所述充电单元的控制端与所述控制电路连接，用于根据所述控制电路的控制对所述飞跨电容充电；

所述放电单元的第一端与所述飞跨电容的第一端连接，所述放电单元的第二端接地，所述放电单元的控制端与所述控制电路连接，用于根据所述控制电路的控制对所述飞跨电容放电。

7.如权利要求6所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述充电单元包括充电电流源，所述放电单元包括放电电流源；

所述充电电流源的第一端与所述三电平变换器的输入连接，所述充电电流源的第二端与所述飞跨电容的第一端连接，所述充电电流源的控制端与所述控制电路连接；

所述放电电流源的第一端与所述飞跨电容的第一端连接，所述放电电流源的第二端接地，所述放电电流源的控制端与所述控制电路连接。

8.如权利要求1至5任一项所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述控制电路包括相互连接的控制逻辑单元和比较单元；

所述比较单元的输入端连接至所述采样电路，接入所述采样电压，用于将所述采样电压分别与过压门限电压、欠压门限电压进行比较，并在；

所述控制逻辑单元用于在所述采样电压大于所述过压门限电压且持续一定时间时，触发启动过压保护，在所述采样电压低于所述欠压门限电压且持续一定时间时，触发启动欠压保护；所述控制逻辑单元的所述过压保护和所述过压保护为控制所述三电平变换器关闭。

9.如权利要求8所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，所述比较单元包括第一电压比较器、第二电压比较器和第三电压比较器；

所述第一电压比较器的第一输入端、所述第二电压比较器的第一输入端和所述第三电压比较器的第一输入端共同连接至所述采样电路，用于接入所述采样电压；所述第一电压比较器的输出端、所述第二电压比较器的输出端和所述第三电压比较器的输出端分别与所述控制逻辑单元连接；

所述第一电压比较器的第二输入端用于接入目标电压，所述第二电压比较器的第二输入端用于接入过压门限电压，所述第三电压比较器的第二输入端用于接入欠压门限电压。

10.如权利要求1至5任一项所述的飞跨电容预充电路，其特征在于，还包括稳压电路和选择电路；

所述稳压电路的输入端与所述三电平变换器的输入连接，所述稳压电路的输出端与所述选择电路的第一输入端连接，所述选择电路的第二输入端与所述采样电路连接；所述稳压电路用于稳定所述三电平变换器的输入电压并输出给所述选择电路，所述选择电路用于将所述稳压电路输出的电压或者所述采样电路输出的所述采样电压选择其一输出，以提供一个辅助偏置电源。

11.一种三电平变换器，包括第一主动开关管、第二主动开关管、第一同步整流管、第二同步整流管、飞跨电容、第一电感和第一滤波电容；

所述第一主动开关管、所述第二主动开关管、所述第一同步整流管和所述第二同步整流管依次串联在所述三电平变换器的输入和地端之间，所述飞跨电容的第一端与所述第一主动开关管和所述第二主动开关管的串联节点连接，所述飞跨电容的第二端与所述第一同步整流管和所述第二同步整流管的串联节点连接，所述第一电感的第一端与所述第二主动开关管和所述第一同步整流管的串联节点连接，所述第一电感的第二端与所述第一滤波电容的第一端连接且连接所述三电平变换器的输出端，所述第一滤波电容的第二端接地；

其特征在于，所述三电平变换器还包括：

如权利要求1至10任一项所述的飞跨电容预充电路，所述飞跨电容预充电路分别与所述飞跨电容的第一端、所述第二同步整流管的控制端以及所述三电平变换器的输入连接。

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