升压功率变换电路和控制方法技术

本发明专利技术提供一种升压功率变换电路和控制方法，该电路包括：N个第一开关模块、N个第二开关模块、N‑1个第三开关模块、N‑1个飞跨电容和N‑1个预充电单元；N个第二开关模块与电感器和输入电源串联形成回路；N个第一开关模块与负载、电感器和输入电源串联形成回路；第一开关模块之间的第一公共点与第二开关模块之间的第二公共点之间连接飞跨电容和一个第三开关模块；每个飞跨电容并联一个预充电单元；每个预充电单元用于在与其并联的飞跨电容连接的第三开关模块断开、且飞跨电容的电压小于预设阈值时，对飞跨电容进行预充电，保证飞跨电容的电压不会低至0V，从而避免在高压系统中使用升压功率变换电路时，半导体器件可能被过压击穿的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及电子电路技术，尤其涉及一种升压功率变换电路和控制方法。
技术介绍
Boost电路不特指一种具体电路，泛指一种升压电路，即通过该电路实现输入一个电压，输出一个更高的电压，实现功率变换，能够输入大于或等于三个电平的称之为多电平Boost电路。图1a为一种飞跨电容多电平Boost电路，图1b为一种飞跨电容多电平Boost电路的控制信号示意图，如图1a、图1b所示，L为电感器，D1、D2、D5、D6为二极管，T1、T2为半导体开关(可以为绝缘栅双极型晶体管(英文：Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)、金属-氧化层半导体场效晶体管(英文：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称：MOSFET)等)，C1、C2为电容器，R为电阻负载，Vin为输入电源，Vout为负载电阻的电压。为便于分析，假设电感器L感量无限大(即电感电流保持恒定)，电容C1、C2容量无限大(电容容量保持不变)。按照一定规律控制T1、T2管的通断，即可实现输出电压Vout大于输入电压Vin。具体的：0～D*T阶段：T1处于导通状态，T2处于断开状态，此时电感电流经由T1、C1、D6流至负载，此时电感两端的电压VL为Vout-Vc-Vin(D5耐压等于Vc电压0.5*Vout；T2承受电压为Vout减去Vc，为0.5*Vout)；D*T～0.5T阶段：T1、T2均处于断开状态，此时电感电流经由D5、D6流至负载，此时电感两端的电压VL为Vout-Vin，(T1耐压等于Vc电压0.5*Vout；T2承受电压为Vout减去Vc，为0.5*Vout)；0.5T～D*T+0.5T阶段：T2处于导通状态，T1处于断开状态，此时电感电流经由D5、Vc、T2流至电源，此时电感两端的电压VL为Vc-Vin，(T1耐压等于Vc电压0.5*Vout；D6承受电压为Vout减去Vc，为0.5*Vout)；D*T+0.5T～T阶段：T1、T2均处于断开状态，此时电感电流经由D5、D6流至负载，此时电感两端的电压VL为Vout-Vin，T1耐压等于Vc电压0.5*Vout；T2承受电压为Vout减去Vc，为0.5*Vout；综上所述，所有半导体开光管最高耐压均为0.5Vout，其他控制周期可以按照上述过程依次类推。根据电感两端电压伏秒守恒原理，即一个工作周期内，电感两端电压与时间的乘积为0。可得如下公式：(Vout-Vc-Vin)*D*T+(Vout-Vin)*(0.5T-D*T)+(Vc-Vin)*0.2T+(Vout-Vin)*(0.5T-D*T)＝0；化简上式可得Vout＝Vin/(1-D)，即通过对T1和T2的控制，可实现输出电压高于输入电压。然而，根据上述分析可知Vout>Vin，所有开关管可选择耐压为0.5Vout；若飞跨电容上不存在电压，即Vc＝0，电容电压为0，则电容可以视为短路，即T1管被D1、D5双向短路，此时T2、D2承受输入电压Vin，D6承受耐压Vout-Vin；若Vin<0.5Vout，则T2、D2承受输入电压Vin，Vin<0.5Vout，由于D2、T2耐压为0.5Vout，D2、T2不会过压击穿；D6承受耐压Vout-Vin，Vout-Vin>0.5Vout，超过D6的耐压，D6会过压击穿；若Vin>0.5Vout，则T2、D2承受输入电压Vin，Vin>0.5Vout，超过D2、T2耐压0.5Vout，D2、T2会过压击穿；D6承受耐压Vout-Vin，Vout-Vin<0.5Vout，不超过D6的耐压，D6不会过压击穿；由以上分析可知，若飞跨电容电压Vc为零，则上述方案中的半导体都存被过压击穿的风险。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种升压功率变换电路和控制方法，用于解决目前的多电平电路中当飞跨电容的电压为零时半导体器件可能被过压击穿的问题。本专利技术第一方面提供一种升压功率变换电路，包括：N个第一开关模块、N个第二开关模块、N-1个第三开关模块、N-1个飞跨电容和N-1个预充电单元；N为大于或等于2的正整数；所述N个第二开关模块与电感器和输入电源依次串联形成回路；所述N个第一开关模块与负载、所述电感器和所述输入电源依次串联形成回路；第i个第一开关模块和第i+1个第一开关模块之间的第一公共点与第i个第二开关模块和第i+1个第二开关模块之间的第二公共点之间并联一个功能电路；每个功能电路由依次串联的一个飞跨电容和一个第三开关模块组成；i为小于N的正整数；每个飞跨电容的两端并联一个预充电单元；每个预充电单元用于在与其并联的飞跨电容连接的第三开关模块断开、且所述飞跨电容的电压小于预设阈值时，对所述飞跨电容进行预充电。本方案提供的升压功率变换电路，在每个桥臂上增加开关模块，即上述与每个飞跨电容串联的开关模块，另外给每个飞跨电容并联预充电单元。当使用该升压功率变换电路的系统处于预开机状态，预充电单元检测对应的飞跨电容的电压，若飞跨电容的电压满足设定值范围，则闭合与该飞跨电容串联的第三开关模块，若飞跨电容的电压不满足设定值范围，则通过对应的预充电单元对该飞跨电容进行充电，直至该飞跨电容上的电压达到设定范围时，再闭合该第三开关模块，待该第三开关模块关闭后，其他的第一开关模块和第二开关模块可按照系统指令进行正常的开关动作。在上述方案的具体实现中，所述第一开关模块包括二极管或者二极管并联逆导型半导体开关；所述第二开关模块包括二极管并联半导体开关。所述第三开关模块包括常开型开关和开关控制电路；所述开关控制电路用于控制所述常开型开关闭合或者打开。通过上述在电路中设置与飞跨电容串联的第三开关模块，以及为每个飞跨电容充电的预充电单元，保证在系统任何工作状态时，飞跨电容的电压均不会低至0V，从而避免在高压系统中使用升压功率变换电路时，半导体器件可能被过压击穿的问题。此外，所述升压功率变换电路还包括：N个逆导型开关管；每个第一开关模块的两端并联连接一个逆导型开关管，用于实现同步整流。可选的，所述逆导型开关管包括金属-氧化层半导体场效晶体管或者逆导型绝缘栅双极型晶体管。可选的，所述常开型开关包括继电器、接触器或半导体双向开关。该方案不仅可以实现多电平技术，而且可以降低输出波形畸变，避免电路中的半导体器件被过压击穿的问题，有效提高系统效率。本专利技术第二方面提供一种升压功率变换电路的控制方法，应用于升压功率变换电路；所述升压功率变换电路包括：N个第一开关模块、N个第二开关模块、N-1个第三开关模块、N-1个飞跨电容和N-1个预充电单元；N为大于或等于2的正整数；所述N个第二开关模块与电感器和输入电源依次串联形成回路；所述N个第一开关模块与负载、所述电感器和所述输入电源依次串联形成回路；第i个第一开关模块和第i+1个第一开关模块之间的第一公共点与第i个第二开关模块和第i+1个第二开关模块之间的第二公共点之间并联一个功能电路；每个功能电路由依次串联的一个飞跨电容和一个第三开关模块组成；i为小于N的正整数；所述方法包括：当系统处于预开机状态时，通过每个预充电单元检测每个飞跨电容两端的第一电压；判断每个飞跨电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种升压功率变换电路，其特征在于，包括：N个第一开关模块、N个第二开关模块、N‑1个第三开关模块、N‑1个飞跨电容和N‑1个预充电单元；N为大于或等于2的正整数；所述N个第二开关模块与电感器和输入电源依次串联形成回路；所述N个第一开关模块与负载、所述电感器和所述输入电源依次串联形成回路；第i个第一开关模块和第i+1个第一开关模块之间的第一公共点与第i个第二开关模块和第i+1个第二开关模块之间的第二公共点之间并联一个功能电路；每个功能电路由依次串联的一个飞跨电容和一个第三开关模块组成；i为小于N的正整数；每个飞跨电容的两端并联一个预充电单元；每个预充电单元用于在与其并联的飞跨电容连接的第三开关模块断开、且所述飞跨电容的电压小于预设阈值时，对所述飞跨电容进行预充电。

【技术特征摘要】
1.一种升压功率变换电路，其特征在于，包括：N个第一开关模块、N个第二开关模块、N-1个第三开关模块、N-1个飞跨电容和N-1个预充电单元；N为大于或等于2的正整数；所述N个第二开关模块与电感器和输入电源依次串联形成回路；所述N个第一开关模块与负载、所述电感器和所述输入电源依次串联形成回路；第i个第一开关模块和第i+1个第一开关模块之间的第一公共点与第i个第二开关模块和第i+1个第二开关模块之间的第二公共点之间并联一个功能电路；每个功能电路由依次串联的一个飞跨电容和一个第三开关模块组成；i为小于N的正整数；每个飞跨电容的两端并联一个预充电单元；每个预充电单元用于在与其并联的飞跨电容连接的第三开关模块断开、且所述飞跨电容的电压小于预设阈值时，对所述飞跨电容进行预充电。2.根据权利要求1所述的升压功率变换电路，其特征在于，所述第一开关模块包括二极管或者二极管并联逆导型半导体开关；所述第二开关模块包括二极管并联半导体开关。3.根据权利要求1或2所述的升压功率变换电路，其特征在于，所述第三开关模块包括常开型开关和开关控制电路；所述开关控制电路用于控制所述常开型开关闭合或者打开。4.根据权利要求1至3任一项所述的升压功率变换电路，其特征在于，所述升压功率变换电路还包括：N个逆导型开关管；每个第一开关模块的两端并联连接一个逆导型开关管，用于实现同步整流。5.根据权利要求4所述的升压功率变换电路，其特征在于，所述逆导型开关管包括金属-氧化层半导体场效晶体管或者逆导型绝缘栅双极型晶体管。6.根据权利要求3所述的升压功率变换电路，其特征在于，所述常开型开关包括继电器、接触器或半导体开关。7.一种升压功率变换电路的控制方...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶飞，石磊，刘云峰，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44