CN210724554U

CN210724554U - 一种嵌位型升压功率变换电路结构

Info

Publication number: CN210724554U
Application number: CN201921625167.1U
Authority: CN
Inventors: 王文波; 王宏; 鲁锦锋; 周洪伟; 梁欢迎
Original assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd; TBEA Xian Electric Technology Co Ltd
Current assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd; TBEA Xian Electric Technology Co Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2029-09-26

Abstract

一种嵌位型升压功率变换电路结构，包括电源、电感、第一开关模块、第二开关模块、第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件、第四单向导通器件、第五单向导通器件、第六单向导通器件、飞跨电容C_fly、输出上母线电容、输出下母线电容以及负载单元组成；本实用新型中第五单向导通器件用于将第二开模块的电压应力钳位至下母线电压；第六单向导通器件用于将第四单向导通器件的电压应力钳位至上母线电压，从而避免半导体器件过压击穿的问题。发波控制上即可以使用同步发波，使控制简单；也可以使用交错发波，提高电感频率，减小电感体积和损耗。

Description

一种嵌位型升压功率变换电路结构

技术领域

本申请涉及升压功率变换电路技术领域，尤其涉及一种嵌位型升压功率变换电路结构。

背景技术

Boost电路泛指升压功率变换电路，即通过该电路实现输入一个电压，输出一个更高的电压，进而实现功率变换，一般将能够实现输入大于或等于三个电平的称之为多电平Boost电路。多电平Boost电路在相同的输入条件下，可以通过降低功率器件的电压应力，用较小耐压等级的器件实现较高等级的电压输出。与传统两电平Boost电路相比，多电平Boost电路能够实现中压大功率输出。

飞跨电容三电平Boost升压电路如图1所示，当输入电源已上电，由于飞跨电容的电压为0，所以T2将承受整个输入电压，一般多电平 Boost电路中的各开关管耐压均按0.5倍母线电压或者上下母线电压来选取，当输入电压大于上下母线电压时，T2存在电压击穿的风险。当存在多路Boost输出侧并联同一母线时，如光伏逆变器中普遍存在的多路 Boost应用，其中的一路或几路已经上电即母线电压已经建立，但仍存在某一路或几路未上电，此时未上电的Boost电路中飞跨电容和输入均为0，母线电压全部加在第四单向导通器件D4上，D4将承受整个母线电压。结合三电平器件的应力按照半母线电压选择的需求，D4极易发生过压损坏。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供了一种嵌位型升压功率变换电路结构，能够解决现有技术中存在的器件串联使用不均压问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种嵌位型升压功率变换电路结构，包括电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容 C_bus+、输出下母线电容C_bus-以及负载单元；所述电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、依次串联连接形成回路，所述第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2分别反向并联在第一开关模块T1和第二开关模块T2上，第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-依次串联连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电感L和第一开关模块T1的串联节点相连接，所述输出下母线电容C_bus-的负极与电源V_in的负极相连接，所述负载单元连接在输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的输出端，其特征在于还包括嵌位电路模块。

所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly和第五单向导通器件D5，所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件D3和第四单向导通器件 D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处；所述第五单向导通器件D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接。

嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly和第五单向导通器件D5，在电源电压已经建立，母线电压未建立时，第五单向导通器件D5将第二开关模块 T2的电压应力钳位至下母线电压。

所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6，所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件 D3和第四单向导通器件D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处；所述第五单向导通器件 D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接；所述第六单向导通器件D6的阳极与第五单向导通器件D5的阴极相连接，所述第六单向导通器件D6的阴极与第四单向导通器件D4的阳极相连接。

嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6，在母线电压已建立，电源输入未上电时，第六单向导通器件D6将第四单向导通器件D4的电压应力钳位至上母线电压。

和现有技术相比较，本实用新型具备如下优点：

嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly和第五单向导通器件D5，在电源电压已经建立，母线电压未建立时，第五单向导通器件D5将第二开关模块 T2的电压应力钳位至下母线电压。从而有效保护第二开关模块，避免过压击穿。

嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6，在母线电压已建立，电源输入未上电时，第六单向导通器件D6将第四单向导通器件D4的电压应力钳位至上母线电压。从而有效保护第四单向导通器件，避免过压击穿。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施或现有技术中的技术方案，下面将对本申请中的各实施例或现有技术描述中所使用的附图做一个简单介绍。显然，下面的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员，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它的附图。

图1为传统飞跨电容三电平Boost升压电路的拓扑结构示意图。

图2为本实用新型嵌位型升压功率变换电路一种电路图。

图3为图2中嵌位电路工作电路图。

图4为本实用新型嵌位型升压功率变换电路另一种电路图。

图5为图4中嵌位电路工作电路图。

图6a为图4电路中T1、T2同步发波方式的驱动信号图。

图6b为图4电路中同步发波方式四个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图6b(1)为开关模态a，图6b(2)为开关模态b，图 6b(3)为开关模态c，图6b(4)为开关模态d。

图7a为图4电路中T1、T2交错发波方式状态1的驱动信号图。

图7b为图4电路中交错发波方式状态1四个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图7b(1)为开关模态a，图7b(2)为开关模态 b，图7b(3)为开关模态c，图7b(4)为开关模态d。

图8a为图4电路中T1、T2交错发波方式状态2的驱动信号图。

图8b为图4电路中交错发波方式状态2四个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图8b(1)为开关模态a，图8b(2)为开关模态 b，图8b(3)为开关模态c，图8b(4)为开关模态d。

图9a为图4电路中T1、T2交错发波方式状态3的驱动信号图。

图9b为图4电路中交错发波方式状态3四个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图9b(1)为开关模态a，图9b(2)为开关模态 b，图9b(3)为开关模态c，图9b(4)为开关模态d。

图10a为图4电路中T1、T2交错发波方式状态4的驱动信号图。

图10b为图4电路中交错发波方式状态4四个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图10b(1)为开关模态a，图10b(2)为开关模态b，图10b(3)为开关模态c，图10b(4)为开关模态d。

图11为图4镜像的电路图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对一种升压功率变换电路进一步详细描述。

本申请实施例中的升压功率变换电路主要包括：

图2为实用新型一种嵌位型升压功率变换电路图，如图2所示，其包括电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-以及负载单元。所述电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、依次串联连接形成回路，所述第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2分别反向并联在第一开关模块T1和第二开关模块T2上，第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-依次串联连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电感L和第一开关模块 T1的串联节点相连接，所述输出下母线电容C_bus-的负极与电源V_in的负极相连接，所述负载单元连接在输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的输出端，还包括嵌位电路模块。所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly和第五单向导通器件D5。所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件D3和第四单向导通器件D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处，所述第五单向导通器件D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接。

图3为图2中嵌位电路工作电路图，一种嵌位型升压功率变换电路，在电源电压已经建立，母线电压未建立时，第三单向导通器件D3和第五单向导通器件D5导通，将第二开关模块T2的电压应力钳位至下母线电压。

图4为实用新型另一种嵌位型升压功率变换电路图，如图4所示，其包括电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-以及负载单元。所述电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、依次串联连接形成回路，所述第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2分别反向并联在第一开关模块T1和第二开关模块T2上，第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-依次串联连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电感L和第一开关模块 T1的串联节点相连接，所述输出下母线电容C_bus-的负极与电源V_in的负极相连接，所述负载单元连接在输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的输出端，还包括嵌位电路模块。所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6。所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件D3和第四单向导通器件D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处，所述第五单向导通器件D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接，所述第六单向导通器件D6的阳极与第五单向导通器件D5的阴极相连接，所述第六单向导通器件D6的阴极与第四单向导通器件D4的阳极相连接。

图5为图4中嵌位电路工作电路图，一种嵌位型升压功率变换电路，在母线电压已建立，电源输入未上电时，第六单向导通器件D6导通，将第四单向导通器件D4的电压应力钳位至上母线电压。

在电路正常运行时，根据第一开关模块T1和第二开关模块T2发波方式是否同步，可以分为同步发波和交错发波。

图6为第一开关模块T1和第二开关模块T2同步发波时的工作情况，其中图6b为图4电路中4个开关模态对应的电流流通路径示意图,根据图6a中第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图，如图6b(1) 所示，在开关模态a，第一开关模块T1导通，第二开关模块T2关断，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第五单向导通器件D5、输出下母线电容Cbus-形成电流回路，此时第二开关模块T2的电压应力被第五单向导通器件D5嵌位至下母线电压。如图6b(2)所示，在开关模态 b，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时导通，此时电源Vin、电感 L、第一开关模块T1、第二开关模块T2形成电流回路。如图6b(3)所示，在开关模态c与开关模态a的工作形式相同。如图6b(4)所示，在开关模态d，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时关断，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus-形成电流回路。其中第六单向导通器件D6将第四单向导通器件D4的电压应力嵌位至上母线电压。通过上面分析，我们可以看到在模态a和c工况下，电源都会通过L、T1和 D5给下母线充电，导致下母线能量大于上母线能量。负载单元需要通过实时调节，将部分下母线能量转移到全母线上。

对于交错发波方式，根据输入电压与母线电压的比较，飞跨电容电压Vfly与上母线电压Vbus+的比较，共有4种不同的工作状态：

状态1：当Vin>0.5Vbus时，开关模块的占空比D<0.5，Vfly>Vbus+；图 7b为图4电路中4个开关模态对应的电流流通路径示意图,根据图7a中第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图，如图7b(1)所示，在开关模态a，第一开关模块T1导通，第二开关模块T2关断，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、飞跨电容C_fly，第四单向导通器件D4、输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus-形成电流回路，此时第二开关模块T2的电压应力被飞跨电容C_fly嵌位至母线电压。如图7b(2)所示，在开关模态b，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时关断，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容 Cbus+、输出下母线电容Cbus-形成电流回路。如图7b(3)所示，在开关模态c，第一开关模块T1关断，第二开关模块T2导通，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第二开关模块T2形成电流回路。如图7b(4)所示，在开关模态d，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时关断，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus-形成电流回路。其中第六单向导通器件D6将第四单向导通器件D4的电压应力嵌位至上母线电压。

状态2：当Vin>0.5Vbus时，占空比D<0.5，Vfly<Vbus+；

图8b为图4电路中4个开关模态对应的电流流通路径示意图,根据图8a中第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图，如图8b(1) 所示，在开关模态a，第一开关模块T1导通，第二开关模块T2关断，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第五单向导通器件D5、输出下母线电容Cbus-形成电流回路，此时第二开关模块T2的电压应力被第五单向导通器件D5嵌位至下母线电压。如图8b(2)所示，在开关模态 b，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时关断，此时电源Vin、电感 L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5、输出下母线电容Cbus-形成电流回路，此时第二开关模块T2的电压应力被第五单向导通器件D5嵌位至下母线电压。如图8b(3)所示，在开关模态c，第一开关模块T1关断，第二开关模块T2导通，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第二开关模块T2形成电流回路。如图8b(4)所示，在开关模态d，第一开关模块T1和第二开关模块T2 同时关断，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5、输出下母线电容Cbus-形成电流回路。其中第五单向导通器件D5将第二开关模块T2嵌位至下母线电压。

状态3：当Vin<0.5Vbus时，占空比D>0.5，Vfly>Vbus+；

图9b为图4电路中4个开关模态对应的电流流通路径示意图,根据图9a中第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图，如图9b(1) 所示，在开关模态a，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时导通，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2形成电流回路。如图9b(2)所示，在开关模态b，第一开关模块T1导通，第二开关模块T2关断，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、飞跨电容C_fly、第四单向导通器件D4、输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus- 形成电流回路。如图9b(3)所示，在开关模态c，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时导通，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2形成电流回路。如图9b(4)所示，在开关模态d，第一开关模块T1关断，第二开关模块T2导通，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第二开关模块T2形成电流回路。

状态4：当Vin<0.5Vbus时，占空比D>0.5，Vfly<Vbus+；

图10b为图4电路中4个开关模态对应的电流流通路径示意图,根据10a中第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图，如图10b (1)所示，在开关模态a，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时导通，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2形成电流回路。第六单向导通器件D6将第四单向导通器件D4电压钳位至上母线电压。如图10b(2)所示，在开关模态b，第一开关模块T1导通，第二开关模块T2关断，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第五单向导通器件D5、输出下母线电容Cbus-形成电流回路，其中第五单向导通器件D5将第二开关模块T2嵌位至下母线电压。如图10b(3)所示，在开关模态c，第一开关模块T1和第二开关模块T2同时导通，此时电源Vin、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2形成电流回路。如图10b(4)所示，在开关模态d，第一开关模块T1关断，第二开关模块T2导通，此时电源Vin、电感L、第三单向导通器件D3、飞跨电容C_fly、第二开关模块T2形成电流回路。

图11为本图4镜像的电路图,如图所示，一种嵌位型升压功率变换电路，其包括电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-以及负载单元。所述电源V_in、第一开关模块T1、第二开关模块T2、电感L依次串联连接形成回路，所述第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2 分别反向并联在第一开关模块T1、第二开关模块T2上，输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-、第四单向导通器件D4、第三单向导通器件D3依次串联连接，所述第三单向导通器件D3的阴极与电感L和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述输出上母线电容C_bus+的正极与电源 V_in的正极相连接，所述负载单元连接在输出上、下母线电容的输出端，所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6。所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第一开关模块和第二开关模块串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第三单向导通器件D3 和第四单向导通器件D4串联节点处，所述第五单向导通器件D5的阴极与飞跨电容C_fly的正端相连接，所述第五单向导通器件D5的阳极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点线连接，所述第六单向导通器件D6的阴极与第五单向导通器件D5的阳极相连接，所述第六单向导通器件D6的阳极与第四单向导通器件D4的阴极相连接。

Claims

1.一种嵌位型升压功率变换电路结构，包括电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-以及负载单元；所述电源V_in、电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2、依次串联连接形成回路，所述第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2分别反向并联在第一开关模块T1和第二开关模块T2上，第三单向导通器件D3、第四单向导通器件D4、输出上母线电容C_bus+、输出下母线电容C_bus-依次串联连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电感L和第一开关模块T1的串联节点相连接，所述输出下母线电容C_bus-的负极与电源V_in的负极相连接，所述负载单元连接在输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的输出端，其特征在于：还包括嵌位电路模块。

2.根据权利要求1所述的一种嵌位型升压功率变换电路结构，其特征在于：所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly和第五单向导通器件D5，所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件D3和第四单向导通器件D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处；所述第五单向导通器件D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接。

3.根据权利要求1所述的一种嵌位型升压功率变换电路结构，其特征在于：所述嵌位电路模块包括飞跨电容C_fly、第五单向导通器件D5和第六单向导通器件D6，所述飞跨电容C_fly的正端电连接在第三单向导通器件D3和第四单向导通器件D4串联节点处，飞跨电容C_fly的负端电连接在第一开关模块T1和第二开关模块T2串联节点处；所述第五单向导通器件D5的阳极与飞跨电容C_fly的负端相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与输出上母线电容C_bus+和输出下母线电容C_bus-的串联节点相连接；所述第六单向导通器件D6的阳极与第五单向导通器件D5的阴极相连接，所述第六单向导通器件D6的阴极与第四单向导通器件D4的阳极相连接。