CN115360780A - 飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平转换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平变换器，该预充电电路通过开关切换单元切换下母线电容与第一钳位单元或第二钳位单元的连接，并与同升压功率变换单元形成对应的正向预充回路和反向预充回路，实现根据供电电压与母线电压的关系选择预设的预充电方式对飞跨电容充电，通过开关切换单元切换下母线电容与第一钳位单元或第二钳位单元的连接，在预充电电路未正常工作时，切断向输入单元充电而产生输入端浮压的电流回路，以及预充电电路正常工作时，切断给下母线电容充电的异常电流回路，使得飞跨电容的电压可以等于半母线电压。通过本申请，解决飞跨电容升压电路中存在低频脉动电流、输入端存在的浮压且半导体器件易击穿的问题。

Description

飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平转换器

技术领域

本申请涉及飞跨电容预充电技术领域，尤其涉及一种飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平转换器。

背景技术

相关技术的双二极管钳位型飞跨电容升压电路中，当存在多路飞跨电容升压电路并联时，当至少其中一路飞跨电容升压电路给母线电容充电，对于还未上电的飞跨电容升压电路而言，母线电压在电路启动前已经建立，此时存在给输入电容充电的电流通路，以造成在输入端形成浮压，较高的浮压易导致未上电的飞跨电容升压电路误启动，且存在着触电风险；同时，相关技术中的飞跨电容升压电路还存在具有低频脉动电流、易出现上、下母线电容的电压不平衡以及电路启动时对应的半导体器件电压应力大、易击穿对应的半导体器件的问题。

针对相关技术的飞跨电容升压电路中存在低频脉动电流、输入端存在的浮压且电路中的半导体器件易击穿的问题，尚未存在有效的解决方案。

发明内容

本申请提供了一种飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平转换器，以至少解决相关技术的飞跨电容升压电路中存在低频脉动电流、输入端存在的浮压且电路中的半导体器件易击穿的问题。

第一方面，本申请提供了一种飞跨电容的预充电电路，包括输入单元、升压功率变换单元、飞跨电容、第一钳位单元、第二钳位单元、开关切换单元、上母线电容和下母线电容，其中，所述输入单元，分别与供电单元、母线和所述升压功率变换单元电连接，用于将所述供电单元提供的供电电压输送至所述母线和所述升压功率变换单元；在所述供电电压大于所述母线的母线电压时，所述升压功率变换单元与所述飞跨电容、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容依次电连接并形成正向预充回路；在所述供电电压小于所述母线电压时，所述升压功率变换单元与所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容依次电连接并形成反向预充回路，其中，所述正向预充回路用于基于所述供电电压对所述飞跨电容进行充电，所述反向预充回路用于基于所述上母线电容和所述下母线电容的中间连接点处所对应的半母线电压对所述飞跨电容进行充电；所述开关切换单元，用于将所述中间连接点选择性地与所述第一钳位单元或所述第二钳位单元电连接。

在其中一些实施例中，所述预充电电路还包括控制模块，所述开关切换单元包括受控开关，所述受控开关包括第一输入端、第一受控端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与所述下母线电容电连接，所述第一受控端与所述控制模块电连接，所述第一输出端与所述第一钳位单元的输出端电连接，所述第二输出端与所述第二钳位单元的输入端电连接，其中，所述控制模块，用于向所述受控开关输出对应的使能信号；所述受控开关，用于根据接收到的所述使能信号，对应控制所述第一输入端选择性地与所述第一输出端或所述第二输出端连通。

在其中一些实施例中，所述开关切换单元还包括限流单元，所述限流单元的第一端与所述下母线电容电连接，所述限流单元的第二端与所述受控开关的第一输入端电连接，其中，所述限流单元用于限定流经所述受控开关、所述第一钳位单元和所述第二钳位单元的电流大小。

在其中一些实施例中，所述受控开关包括双稳态继电器，所述双稳态继电器包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口，所述第一端口对接所述第一输入端，所述第二端口对接所述第一输出端，所述第三端口对接所述第二输出端，所述第四端口对接所述第一受控端，所述第五端口电连接第一电源，其中，所述双稳态继电器，用于在所述第四端口接收到的所述使能信号的电平为预设高电平时，控制所述第一端口与所述第二端口连通，以使所述中间连接点连接所述第一钳位单元，以及在所述第四端口接收到的所述使能信号的电平为预设低电平时，控制所述第一端口与所述第三端口连通，以使所述中间连接点连接所述第二钳位单元。

在其中一些实施例中，所述升压功率变换电路包括电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管T1和第二开关管T2，所述输入单元包括输入电容Cin和旁路二极管D3；所述输入电容Cin的一端分别电连接所述旁路二极管D3的阳极和所述电感L的第一端，所述电感L的第二端分别电连接所述第一开关管T1的输入端和第二二极管D2的阳极，所述第一开关管T1的输出端分别电连接所述第二开关管T2的输入端、所述飞跨电容的第一端和所述第一钳位单元的输入端，所述第二开关管T2的输出端连接至所述输入电容Cin的另一端，所述第一开关管T1的受控端和所述第二开关管T2的受控端均与所述控制模块电连接，第二二极管D2的阴极分别电连接所述第一二极管D1的阳极、所述飞跨电容的第二端和所述第二钳位单元的输出端，所述第一二极管D1的阴极和所述旁路二极管D3的阴极均电连接所述母线。

在其中一些实施例中，所述第一钳位单元和所述第二钳位单元均为二极管。

第二方面，本申请提供了一种预充电电路的控制方法，应用于第一方面所述的飞跨电容的预充电电路，所述控制方法包括：

判断所述供电电压是否大于所述母线电压；

在判断到所述供电电压大于所述母线电压的情况下，使能所述开关切换单元将所述第一钳位单元与所述下母线电容连接，并通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电，直至所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，所述正向预充回路由所述电感L、所述第一开关管T1、所述第二二极管D2、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容所构成；

在判断到所述供电电压小于所述母线电压的情况下，使能所述开关切换单元将所述第二钳位单元与所述下母线电容连接，并通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电，直至所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，所述反向预充回路由所述输入电容Cin、所述电感L、所述第一开关管T1对应的续流二极管TD1、所述第二开关管T2、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容构成。

在其中一些实施例中，在通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电过程中，所述控制方法包括：

在第一预设时间内向所述第一开关管T1输送预设占空比的第一脉冲信号；

在所述第一开关管T1根据其受控端接收到的所述第一脉冲信号，控制所述第一开关管T1的输入端与输出端连通时，所述电感L、所述第一开关管T1、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述正向预充回路对应的储能回路，并基于所述供电电压给所述电感L储能，以及在所述第一开关管T1根据其受控端接收到的所述第一脉冲信号，控制所述第一开关管T1的输入端与输出端断开时，所述电感L、所述第二二极管D2、所述飞跨电容、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述正向预充回路对应的放电回路，以基于所述供电电压对所述飞跨电容充电；

在对所述飞跨电容充电所述第一预设时间后，所述飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向所述第一开关管T1输送所述第一脉冲信号，并通过所述正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电；

在所述第一预设时间内，所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向所述第一开关管T1输送所述第一脉冲信号，并使能所述开关切换单元将所述第二钳位单元与所述下母线电容连接。

在其中一些实施例中，在通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电过程中，所述控制方法包括：

在第二预设时间内向所述第二开关管T2输送预设占空比的第二脉冲信号；

在所述第二开关管T2根据其受控端接收到的所述第二脉冲信号，控制所述第二开关管T2的输入端与输出端连通时，所述第二开关管T2、所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述反向预充回路对应的第一反向充电回路，并基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电，以及在所述第二开关管T2根据其受控端接收到的所述第二脉冲信号，控制所述第二开关管T2的输入端与输出端断开时，所述输入电容Cin、所述电感L、所述续流二极管TD1、所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述反向预充回路对应的第二反向充电回路，并基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电；

在对所述飞跨电容充电所述第二预设时间后，所述飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向所述第二开关管T2输送所述第二脉冲信号，并通过所述反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电；

在所述第二预设时间内，所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向所述第二开关管T2输送所述第二脉冲信号，以停止向所述飞跨电容充电。

第三方面，本申请提供了一种飞跨电容三电平转换器，包括第一方面所述的飞跨电容的预充电电路。

与相关技术相比，本实施例中提供了飞跨电容的预充电电路、控制方法及三电平转换器，该飞跨电容的预充电电路通过设置输入单元、升压功率变换单元、飞跨电容、第一钳位单元、第二钳位单元、开关切换单元、上母线电容和下母线电容，并通过输入单元向母线和升压功率变换单元提供电压，通过开关切换单元切换下母线电容与第一钳位单元或第二钳位单元的连接，并与同升压功率变换单元形成对应的正向预充回路和反向预充回路，实现根据供电电压与母线电压的关系选择预设的预充电方式对飞跨电容充电，同时，通过开关切换单元切换上母线电容与下母线电容的中间连接点与第一钳位单元或第二钳位单元的连接，在预充电电路未正常工作时，切断向输入单元充电而产生输入端浮压的电流回路，以及预充电电路正常工作时，切断给下母线电容充电的异常电流回路，使中间连接点处的电压维持为半母线电压，解决了相关技术的飞跨电容升压电路中存在低频脉动电流、输入端存在的浮压且电路中的半导体器件易击穿的问题，实现消除双二极管钳位型飞跨电容升压电路中存在的低频脉动电流和输入端存在的浮压、减小飞跨电容升压电路启动时上二极管和下开关管的电压应力，避免半导体器件过压击穿的有益效果。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，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是本申请实施例提供的一种飞跨电容的预充电电路的逻辑框图；

图2是本申请实施例提供的一种飞跨电容的预充电电路的拓扑图；

图3是本申请实施例提供的正向预充回路所对应储能回路的电流导通路径示意图；

图4是本申请实施例提供的正向预充回路所对应放电回路的电流导通路径示意图；

图5是本申请实施例提供的反向预充回路所对应第一反向充电回路的电流导通路径示意图；

图6是本申请实施例提供的反向预充回路所对应第二反向充电回路的电流导通路径示意图；

图7是根据本申请实施例的预充电电路的控制方法的流程图；

图8是根据本申请优选实施例的预充电电路的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

图1是本申请实施例提供的一种飞跨电容的预充电电路的逻辑框图，图2是本申请实施例提供的一种飞跨电容的预充电电路的拓扑图，图1至2所示的一种飞跨电容的预充电电路，通过开关切换单元500切换下母线电容C2与第一钳位单元300或第二钳位单元400的连接，在预充电电路未正常工作时，切断向输入单元100充电而产生输入端浮压的电流回路，以及预充电电路正常工作时，切断给下母线电容C2充电的异常电流回路，使上母线电容C1和下母线电容C2的中间连接点(也是对应的飞跨电容三电平升压电路的母线中点)与母线负极BUS-之间的电压维持为半母线电压，籍以使的飞跨电容Cf两端的电压为半母线电压。

请参阅图1至图2，本申请实施例提供的飞跨电容的预充电电路，该预充电电路包括输入单元100、升压功率变换单元200、飞跨电容Cf、第一钳位单元300、第二钳位单元400、开关切换单元500、上母线电容C1和下母线电容C2，其中，

输入单元100，分别与供电单元(外部电源，用于提供直流电压，例如：太阳能电池阵列)、母线BUS和升压功率变换单元200电连接，用于将供电单元提供的供电电压Vin输送至母线BUS和升压功率变换单元200。

在本实施例中，母线BUS的正极BUS+为母线电压输出端，也是对应飞跨电容三电平升压电路的高压侧，对应三电平中的“1”，上母线电容C1和下母线电容C2的中间连接点为零电位点，对应三电平中的“0”，而母线BUS的负极BUS-为对应飞跨电容三电平升压电路的低压侧，对应三电平中的“-1”，且母线BUS的负极BUS-与供电单元及预充电电路的低压侧电连接。

在本实施例中，输入单元100包括输入电容Cin和旁路二极管D3，当前的预充电电路上电后，供电单元提供的供电电压Vin会通过旁路二极管D3将母线BUS的电压抬升至母线电压V_bus，也就是母线电压V_bus由供电电压Vin建立，同时，供电电压Vin同步会向升压功率变换单元200输送对应的电压，以对飞跨电容Cf进行预充电；在供电电压Vin大于母线电压V_bus的情况下，其母线电压V_bus是通过供电电压Vin建立的；而当在光伏系统中存在多路预充电电路并联时，对于未上电的某一路预充电电路而言，其母线电压已建立，但这一路预充电电路的输入端电压还未建立，故Vin＜V_bus，此时，需要考虑的是采用何种预充电方式对飞跨电容Cf充电；需要说明的是，光伏系统中多路预充电电路并联是指前一路的预充电电路的输出端并联到母线上，每个预充电电路的输入端各自连接着太阳能电池阵列(太阳能电池阵列对应为供电单元)。升压功率变换单元，还分别与飞跨电容Cf、第一钳位单元300和第二钳位单元400耦合电连接，开关切换单元500还分别与第一钳位单元300、第二钳位单元400及下母线电容C2耦合电连接，下母线电容C2与开关切换单元500电连接的端还电连接上母线电容C1,该上母线电容C1还与母线BUS的正极BUS+连接。

在供电电压Vin大于母线的母线电压V_bus时，升压功率变换单元200与飞跨电容Cf、第一钳位单元300、开关切换单元500及接地的下母线电容C2依次电连接并形成正向预充回路；在供电电压Vin小于母线电压V_bus时，升压功率变换单元200与飞跨电容Cf、第二钳位单元400、开关切换单元500及下母线电容C2依次电连接并形成反向预充回路，其中，正向预充回路用于基于供电电压Vin对飞跨电容Cf进行充电，反向预充回路用于基于上母线电容C1与下母线电容C2的中间连接点处所对应的半母线电压(实际为该中间连接点与母线负极BUS-之间的电压)对飞跨电容Cf进行充电。

在本实施例中，第一钳位单元300包括二极管D4，第二钳位单元400包括二极管D5。

在本实施例中，第一钳位单元300和第二钳位单元400分别用于对升压功率变换单元200靠近母线BUS负极BUS-和靠近母线BUS正极BUS+的的半导体器件进行电压钳位，具体地，第一钳位单元300用于对图2中所示的第二开关管T2进行电压钳位，第二钳位单元400用于对图2中所示的第一二极管D1进行电压钳位，进而使得在飞跨电容Cf的电压达到预设的启动电压之前，减小第一二极管D1和第二开关管T2的电压应力。

开关切换单元500，用于将下母线电容C2的背地端选择性地与第一钳位单元300或第二钳位单元400电连接，对应使的飞跨电容Cf两端之间的电压可以维持为半母线电压或切断向输入单元100反向充电的电流回路。

在本实施例中，采用正向预充回路对飞跨电容Cf充电时，此时，开关切换单元500会将第一钳位单元300与下母线电容C2连接；当采用反向预充回路对飞跨电容Cf充电时，开关切换单元500将第二钳位单元400与下母线电容C2连接；在本实施例中，在当前的预充电电路的飞跨电容Cf的电压达到设定的启动电压时，开关切换单元500将第二钳位单元400与下母线电容C2连接，使预充电电路正常工作时，切断了给下母线电容C2充电的异常电流回路，可将飞跨电容Cf上的电压控制在半母线电压，消除了脉动电流；同时，当存在多路并联的预充电电路时，未上电的预充电电路在上电之前，开关切换单元500将第一钳位单元300与下母线电容C2连接，切断向输入单元100反向充电的电流回路，避免在输入端产生浮压。

需要说明的是，本申请实施例通过设置输入单元100、升压功率变换单元200、飞跨电容Cf、第一钳位单元300、第二钳位单元400、开关切换单元500和下母线电容C2，并通过输入单元100向母线BUS和升压功率变换单元200提供电压，通过开关切换单元500切换下母线电容C2与第一钳位单元300或第二钳位单元400的连接，并与同升压功率变换单元200形成对应的正向预充回路和反向预充回路，根据供电电压Vin与母线电压V_bus的关系选择预设的预充电方式对飞跨电容Cf充电，同时，通过开关切换单元500切换下母线电容C2与第一钳位单元300或第二钳位单元400的连接，在预充电电路未正常工作时，切断向输入单元100充电而产生输入端浮压的电流回路，以及预充电电路正常工作时，切断给下母线电容C2充电的异常电流回路，使得飞跨电容Cf两端之间的电压可以等于半母线电压，解决了相关技术的飞跨电容升压电路中存在低频脉动电流、输入端存在的浮压且电路中的半导体器件易击穿的问题，实现消除双二极管钳位型飞跨电容升压电路中存在的低频脉动电流和输入端存在的浮压、减小飞跨电容升压电路启动时上二极管和下开关管的电压应力，避免半导体器件过压击穿的有益效果。

为实现对开关切换单元500将下母线电容C2选择性的与第一钳位单元300或第二钳位单元400电连接，在其中一些实施例中，参考图1和图2，预充电电路还包括控制模块600，开关切换单元500包括受控开关S1，受控开关S1包括第一输入端、第一受控端、第一输出端和第二输出端，第一输入端与下母线电容C2电连接，第一受控端与控制模块600电连接，第一输出端与第一钳位单元300的输出端电连接，第二输出端与第二钳位单元400的输入端电连接，其中，

控制模块600，用于向受控开关S1输出对应的使能信号。

在本实施例中，采用正向预充回路对飞跨电容Cf充电时，控制模块600向受控开关S1输出将第一钳位单元300与下母线电容C2连接的使能信号；当采用反向预充回路对飞跨电容Cf充电时，控制模块600向受控开关S1输出将第二钳位单元400与下母线电容C2连接的使能信号；在本实施例中，在当前的预充电电路的飞跨电容Cf的电压达到设定的启动电压时，控制模块600向受控开关S1输出将第二钳位单元400与下母线电容C2连接的使能信号；当存在多路并联的预充电电路时，未上电的预充电电路在上电之前，控制模块600向受控开关S1输出将第一钳位单元300与下母线电容C2连接的使能信号。

在本实施例中，控制模块600包括微控器，微控器包括如下其中一种：单片机、数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

受控开关S1，用于根据接收到的使能信号，对应控制第一输入端选择性地与第一输出端或第二输出端连通。

在其中一些实施例中，参考图2，开关切换单元500还包括限流单元，限流单元的第一端与下母线电容C2电连接，限流单元的第二端与第一输入端电连接，其中，限流单元为限流电阻R1，限流单元用于限定流经受控开关S1、第一钳位单元300和第二钳位单元300的电流大小，籍以保护受控开关S1、第一钳位单元300和第二钳位单元400不被击穿。

在其中一些实施例中，受控开关S1包括双稳态继电器，双稳态继电器包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口，第一端口对接第一输入端，第二端口对接第一输出端，第三端口对接第二输出端，第四端口对接第一受控端，第五端口电连接第一电源VDD，其中，双稳态继电器，用于在第四端口接收到的使能信号的电平为预设高电平时，控制第一端口与第二端口连通，以使下母线电容C1连接第一钳位单元300，以及在第四端口接收到的使能信号的电平为预设低电平时，控制第一端口与第三端口连通，以使下母线电容C2连接第二钳位单元400。

在其中一些实施例中，参考图2-6，升压功率变换电路200包括电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管T1和第二开关管T2，输入单元100包括输入电容Cin和旁路二极管D3；在本实施例中，第一开关管T1和第二开关管T2均包括NPN型三极管；在图2所示拓扑电路图中，输入电容Cin的一端分别电连接旁路二极管D3的阳极和电感L的第一端，电感L的第二端分别电连接第一开关管T1的输入端(对应三极管的集电极)和第二二极管D2的阳极，第一开关管T1的输出端(对应三极管的发射极)分别电连接第二开关管T2的输入端(对应三极管的集电极)、飞跨电容Cf的第一端和第一钳位单元300的输入端(对应二极管D4的阳极)，第二开关管T2的输出端(对应三极管的发射极)连接至输入电容Cin的另一端(也就是母线BUS的负极BUS-，该端对应为对应的飞跨电容三电平升压电路的低压侧，对应为三电平中的“-1”)，第一开关管T1的受控端和第二开关管T2的受控端均与控制模块600电连接(参考图2中的网络标号X1、X2)，第二二极管D2的阴极分别电连接第一二极管D1的阳极、飞跨电容Cf的第二端和第二钳位单元400的输出端(对应为二极管D5的阴极)，第一二极管D1的阴极和旁路二极管D3的阴极均电连接母线。

在本实施例中，开关切换单元500将二极管D4与下母线电容C2连接时，电感L、第一开关管T1、二极管D4及下母线电容C2形成正向预充回路对应的储能回路(参考图3)，并基于供电电压Vin给电感L储能；电感L、第二二极管D2、飞跨电容Cf、二极管D4及下母线电容C2还能形成正向预充回路对应的放电回路(参考图4)，以基于供电电压Vin对飞跨电容Cf充电。

在本实施例中，开关切换单元500将二极管D5与下母线电容C2连接时，第二开关管T2、飞跨电容Cf、二极管D5及下母线电容C2形成反向预充回路对应的第一反向充电回路(参考图5)，并基于半母线电压向飞跨电容Cf充电；输入电容Cin、电感L、续流二极管TD1、飞跨电容Cf、二极管D5及下母线电容C2形成反向预充回路对应的第二反向充电回路(参考图6)，并基于上母线电容C1与下母线电容C2的中间连接点处的电压向飞跨电容Cf充电。

在其中一些可选实施例方式中，第一开关管T1和第二开关管T2均为MOS管或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)。

需要说明的是，在本申请实施例中的第一开关管T1和第二开关管T2包括但不限于MOS管、IGBT。并且，根据本申请披露的内容，本领域技术人员容易想到根据开关管的具体选型将本申请披露的受控开关修改为与开关管选型相适应的受控开关，因此，无论开关管N沟道或P沟道的开关MOS管，又或是单桥IGBT、半桥IGBT或全桥IGBT均可以实现本申请，在本申请实施例中并不作限定。

本申请实施例还提供一种预充电电路的控制方法，图7是根据本申请实施例的预充电电路的控制方法的流程图，如图7所示，该预充电电路的控制方法应用于上述实施例中的预充电电路，该控制方法包括如下步骤：

步骤S701、判断供电电压Vin是否大于母线电压V_bus。

在本实施例中，判断供电电压Vin是否大于母线电压V_bus是通过安装本申请实施例中的飞跨电容Cf及对应的预充电电路的电子设备，例如：光伏逆变器的主控模块或微控器，并且，对应的电子设备检测到供电电压Vin和母线电压V_bus是基于现有相关技术实施的，本领域技术人员应当理解，对应的技术手段属于现有或习知技术，并不构成对本申请的限制。

步骤S702，在判断到供电电压Vin大于母线电压V_bus的情况下，使能开关切换单元将第一钳位单元与下母线电容连接，并通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于供电电压向飞跨电容充电，直至飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，正向预充回路由电感L、第一开关管T1、第二二极管D2、第一钳位单元、开关切换单元及下母线电容所构成。

步骤S703，在判断到供电电压Vin小于母线电压V_bus的情况下，使能开关切换单元将第二钳位单元与下母线电容连接，并通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于半母线电压向飞跨电容充电，直至飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，反向预充回路由输入电容Cin、电感L、第一开关管T1对应的续流二极管TD1、第二开关管T2、第二钳位单元、开关切换单元及下母线电容构成。

在其中一些实施例中，在步骤S702中的通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于供电电压向飞跨电容充电过程中，还实施如下步骤：

步骤21、在第一预设时间内向第一开关管T1输送预设占空比的第一脉冲信号。

步骤22、在第一开关管T1根据其受控端接收到的第一脉冲信号，控制第一开关管T1的输入端与输出端连通时，电感L、第一开关管T1、第一钳位单元、开关切换单元及下母线电容形成正向预充回路对应的储能回路(参考图3)，并基于供电电压给电感L储能，以及在第一开关管T1根据其受控端接收到的第一脉冲信号，控制第一开关管T1的输入端与输出端断开时，电感L、第二二极管D2、飞跨电容、第一钳位单元、开关切换单元及下母线电容形成正向预充回路对应的放电回路(参考图4)，以基于供电电压对飞跨电容充电。

步骤23、在对飞跨电容充电第一预设时间后，飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向第一开关管T1输送第一脉冲信号，并通过正向预充回路，基于供电电压向飞跨电容充电。

步骤24、在第一预设时间内，飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向第一开关管T1输送第一脉冲信号，并使能开关切换单元将第二钳位单元与下母线电容连接。

在其中一些实施例中，在步骤S703中的通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于半母线电压向飞跨电容充电过程中，还实施如下步骤：

步骤31、在第二预设时间内向第二开关管T2输送预设占空比的第二脉冲信号；

步骤32、在第二开关管T2根据其受控端接收到的第二脉冲信号，控制第二开关管T2的输入端与输出端连通时，第二开关管T2、飞跨电容、第二钳位单元、开关切换单元及下母线电容形成反向预充回路对应的第一反向充电回路，并基于半母线电压向飞跨电容充电，以及在第二开关管T2根据其受控端接收到的第二脉冲信号，控制第二开关管T2的输入端与输出端断开时，输入电容Cin、电感L、续流二极管TD1、飞跨电容、第二钳位单元、开关切换单元及下母线电容形成反向预充回路对应的第二反向充电回路，并基于中间连接点处所对应的半母线电压向飞跨电容充电；

步骤33、在对飞跨电容充电第二预设时间后，飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向第二开关管T2输送第二脉冲信号，并通过反向预充回路，基于半母线电压向飞跨电容充电；

步骤34在第二预设时间内，飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向第二开关管T2输送第二脉冲信号，以停止向飞跨电容充电。

图8是根据本申请优选实施例的预充电电路的控制方法的流程图，以下参考图1-图8，对本申请实施例中的飞跨电容的预充电电路的工作过程进行说明如下：

本申请实施例提出的飞跨电容的预充电电路在工作是按预设的两种预充电方式对飞跨电容Cf进行预充电，而预充电方式的选定是根据供电电压Vin与母线电压V_bus的大小确定。

具体地，当Vin≥V_bus时，此时，母线电压V_bus是供电电压Vin来建立的；当供电电压Vin达到启动电压(该启动电压是指供电电压Vin的大小达到设定的值)后，采用正向预充回路进行对飞跨电容Cf进行充电，该方式下的电流流通路径参考图3和图4；通过向第一开关管T1输出第一脉冲信号，控制第一开关管T1的导通与关断，该第一脉冲信号的占空比固定且开关频率固定，设定给第一开关管T1输出第一脉冲信号的时长为第一预设时间，记为T_sw1，第一脉冲信号包含若干个窄脉冲；当第一开关管T1导通时，电流会依次经过电感L、第一开关管T1、二极管D4、开关切换单元500、限流电阻R1、下母线电容C2，给电感L储能；当第一开关管T1断开时，电流会依次经过电感L、二极管D2、飞跨电容Cf、二极管D4、开关切换单元500、限流电阻R1、下母线电容C2、，给飞跨电容充电Cf；设定为飞跨电容Cf的启动电压V_{start_cf}＝0.45V_bus；在第一预设时间T_sw1内给第一开关管T1输送第一脉冲信号，若飞跨电容Cf上的电压Vcf≥V_{start_cf}，则提前关闭给第一开关管T1输送的第一脉冲信号，并使能受控开关S1将其第一端口(对应为图2中的K点)与第三端口(对应为图2中的B点)连接，飞跨电容Cf对应的升压电路开始正常工作；在第一预设时间T_sw1内给第一开关管T1输送第一脉冲信号，若飞跨电容Cf上的电压Vcf＜V_{start_cf}，则再等待一段时间，例如10T_sw1时间后，重新给第一开关管T1输送第一脉冲信号，以进行对飞跨电容Cf进行充电。

当Vin＜V_bus时，即多路飞跨电容的预充电电路并联的情况下，当完成飞跨电容Cf的启动且预充电电路正常工作的多路预充电电路中的至少其中一路给母线电容充电，对于还未上电的飞跨电容的预充电电路而言，母线电压V_bus在电路启动前已经建立；当Vin达到启动电压后，使能受控开关S1将其第一端口(对应为图2中的K点)与第三端口(对应为图2中的B点)连接，采用第二预充电方式对应的反向预充回路对飞跨电容Cf进行充电，该方式下的电流流通路径参考图5和图6；通过向第二开关管T2输送第二脉冲信号，以控制第二开关管T2的导通与关断，设定给第二开关管T2输送第二脉冲信号的时长设定为第二预设时间，记为T_sw2，该第二脉冲信号为占空比固定且开关频率与正常工作频率相同的方波；当第二开关管T2导通时，电流会依次流经限流电阻R1、开关切换单元500、二极管D5、飞跨电容Cf、第二开关管T2(参考图5)给飞跨电容Cf充电；当第二开关管T2断开时，若Vin≥Vc2(下母线电容电压)，二极管D5处于截止状态，无充电电流回路，若Vin＜Vc2，电流会依次流经限流电阻R1、开关切换单元300、二极管D5、飞跨电容Cf、第一开关管T1的续流二极管TD1、电感L、输入电容Cin(对应参考图6)给飞跨电容Cf充电；在第二预设时间T_sw2内给第二开关管T2输送第二脉冲信号，若飞跨电容上的电压Vcf≥V_{start_cf}时，若飞跨电容Cf上的电压Vcf≥V_{start_cf}，则提前关闭给第二开关管T2输送的第二脉冲信号，飞跨电容Cf对应的升压电路开始正常工作；在第二预设时间T_sw2内给第二开关管T2输送第二脉冲信号，若飞跨电容Cf上的电压Vcf＜V_{start_cf}，则在等待一段时间，例如10T_sw1时间后，重新给第二开关管T2输送第二脉冲信号，以进行对飞跨电容Cf进行充电。

本申请实施例还提供一种飞跨电容三电平变换器，包括上述实施例中的飞跨电容的预充电电路

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种飞跨电容的预充电电路，其特征在于，包括输入单元、升压功率变换单元、飞跨电容、第一钳位单元、第二钳位单元、开关切换单元、上母线电容和下母线电容，其中，

所述输入单元，分别与供电单元、母线和所述升压功率变换单元电连接，用于将所述供电单元提供的供电电压输送至所述母线和所述升压功率变换单元；

在所述供电电压大于所述母线的母线电压时，所述升压功率变换单元与所述飞跨电容、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容依次电连接并形成正向预充回路；在所述供电电压小于所述母线电压时，所述升压功率变换单元与所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容依次电连接并形成反向预充回路，其中，所述正向预充回路用于基于所述供电电压对所述飞跨电容进行充电，所述反向预充回路用于基于所述上母线电容与所述下母线电容的中间连接点处所对应的半母线电压对所述飞跨电容进行充电；

所述开关切换单元，用于将所述中间连接点选择性地与所述第一钳位单元或所述第二钳位单元电连接。

2.根据权利要求1所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述预充电电路还包括控制模块，所述开关切换单元包括受控开关，所述受控开关包括第一输入端、第一受控端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与所述下母线电容电连接，所述第一受控端与所述控制模块电连接，所述第一输出端与所述第一钳位单元的输出端电连接，所述第二输出端与所述第二钳位单元的输入端电连接，其中，

所述控制模块，用于向所述受控开关输出对应的使能信号；

所述受控开关，用于根据接收到的所述使能信号，对应控制所述第一输入端选择性地与所述第一输出端或所述第二输出端连通。

3.根据权利要求2所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述开关切换单元还包括限流单元，所述限流单元的第一端与所述下母线电容电连接，所述限流单元的第二端与所述受控开关的第一输入端电连接，其中，所述限流单元用于限定流经所述受控开关、所述第一钳位单元和所述第二钳位单元的电流大小。

4.根据权利要求2所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述受控开关包括双稳态继电器，所述双稳态继电器包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口，所述第一端口对接所述第一输入端，所述第二端口对接所述第一输出端，所述第三端口对接所述第二输出端，所述第四端口对接所述第一受控端，所述第五端口电连接第一电源，其中，

所述双稳态继电器，用于在所述第四端口接收到的所述使能信号的电平为预设高电平时，控制所述第一端口与所述第二端口连通，以使所述中间连接点连接所述第一钳位单元，以及在所述第四端口接收到的所述使能信号的电平为预设低电平时，控制所述第一端口与所述第三端口连通，以使所述中间连接点连接所述第二钳位单元。

5.根据权利要求2所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述升压功率变换电路包括电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管T1和第二开关管T2，所述输入单元包括输入电容Cin和旁路二极管D3；所述输入电容Cin的一端分别电连接所述旁路二极管D3的阳极和所述电感L的第一端，所述电感L的第二端分别电连接所述第一开关管T1的输入端和第二二极管D2的阳极，所述第一开关管T1的输出端分别电连接所述第二开关管T2的输入端、所述飞跨电容的第一端和所述第一钳位单元的输入端，所述第二开关管T2的输出端连接至所述输入电容Cin的另一端，所述第一开关管T1的受控端和所述第二开关管T2的受控端均与所述控制模块电连接，第二二极管D2的阴极分别电连接所述第一二极管D1的阳极、所述飞跨电容的第二端和所述第二钳位单元的输出端，所述第一二极管D1的阴极和所述续流二极管D3的阴极均电连接所述母线。

6.根据权利要求5所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述第一钳位单元和所述第二钳位单元均为二极管。

7.一种预充电电路的控制方法，应用于权利要求5所述的飞跨电容的预充电电路，其特征在于，所述控制方法包括：

判断所述供电电压是否大于所述母线电压；

在判断到所述供电电压大于所述母线电压的情况下，使能所述开关切换单元将所述第一钳位单元与所述下母线电容连接，并通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电，直至所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，所述正向预充回路由所述电感L、所述第一开关管T1、所述第二二极管D2、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容所构成；

在判断到所述供电电压小于所述母线电压的情况下，使能所述开关切换单元将所述第二钳位单元与所述下母线电容连接，并通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电，直至所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，其中，所述反向预充回路由所述输入电容Cin、所述电感L、所述第一开关管T1对应的续流二极管TD1、所述第二开关管T2、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容构成。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在通过第一预设充电方式所对应的正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电过程中，所述控制方法包括：

在第一预设时间内向所述第一开关管T1输送预设占空比的第一脉冲信号；

在所述第一开关管T1根据其受控端接收到的所述第一脉冲信号，控制所述第一开关管T1的输入端与输出端连通时，所述电感L、所述第一开关管T1、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述正向预充回路对应的储能回路，并基于所述供电电压给所述电感L储能，以及在所述第一开关管T1根据其受控端接收到的所述第一脉冲信号，控制所述第一开关管T1的输入端与输出端断开时，所述电感L、所述第二二极管D2、所述飞跨电容、所述第一钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述正向预充回路对应的放电回路，以基于所述供电电压对所述飞跨电容充电；

在对所述飞跨电容充电所述第一预设时间后，所述飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向所述第一开关管T1输送所述第一脉冲信号，并通过所述正向预充回路，基于所述供电电压向所述飞跨电容充电；

在所述第一预设时间内，所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向所述第一开关管T1输送所述第一脉冲信号，并使能所述开关切换单元将所述第二钳位单元与所述下母线电容连接。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在通过第二预设充电方式所对应的反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电过程中，所述控制方法包括：

在第二预设时间内向所述第二开关管T2输送预设占空比的第二脉冲信号；

在所述第二开关管T2根据其受控端接收到的所述第二脉冲信号，控制所述第二开关管T2的输入端与输出端连通时，所述第二开关管T2、所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述反向预充回路对应的第一反向充电回路，并基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电，以及在所述第二开关管T2根据其受控端接收到的所述第二脉冲信号，控制所述第二开关管T2的输入端与输出端断开时，所述输入电容Cin、所述电感L、所述续流二极管TD1、所述飞跨电容、所述第二钳位单元、所述开关切换单元及所述下母线电容形成所述反向预充回路对应的第二反向充电回路，并基于所述中间连接点处所对应的所述半母线电压向所述飞跨电容充电；

在对所述飞跨电容充电所述第二预设时间后，所述飞跨电容的电压小于预设启动电压，在等待预设间隔时间后，再次向所述第二开关管T2输送所述第二脉冲信号，并通过所述反向预充回路，基于所述半母线电压向所述飞跨电容充电；

在所述第二预设时间内，所述飞跨电容的电压大于预设启动电压，停止向所述第二开关管T2输送所述第二脉冲信号，以停止向所述飞跨电容充电。

10.一种飞跨电容三电平变换器，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的飞跨电容的预充电电路。

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