CN114421761A - 一种带有飞跨电容的三电平变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种带有飞跨电容的三电平变换器及控制方法，第一开关管和第二开关管选用不同特性的开关管，不同特性至少包括开关频率或器件耐压；发送第一驱动信号给第一开关管，发送第二驱动信号给第二开关管；在每个预设时间段时，第一驱动信号存在P个脉冲，第二驱动信号存在Q个脉冲，P为大于等于2的整数，Q大于P；在第一驱动信号的第一脉冲周期第二驱动信号存在N个脉冲，在第一驱动信号的第二脉冲周期第二驱动信号存在M个脉冲，N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，M+N=Q；电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。该方案相比传统中两个选用耐压较高的开关管，功率损耗得以降低，降低变换器功率损耗，提高电能转换效率。

Description

一种带有飞跨电容的三电平变换器及控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种带有飞跨电容的三电平变换器及控制方法。

背景技术

目前，带有飞跨电容的三电平DCDC变换器如图1所示，该变换器包括两个主功率管，第一开关管Q1和第二开关管Q2，两个二极管D1和D2，功率电感L和飞跨电容CF。通常，飞跨电容CF的电压为母线电压Vbus的一半；一般情况下，母线电容C1和C2的容值相等，C1上的电压等于C2上的电压。T1和T2采用交错180度的导通方式，在一个工作周期内可以实现功率电感L的纹波电流倍频，从而降低电感纹波。如图2和图3所示，其中，Vg1和Vg2分别对应T1和T2的驱动信号，Ts为驱动信号的周期，两个主功率管的周期相同，并且占空比相同。其中，图2为占空比小于0.5的驱动信号示意图，图3为占空比大于0.5的驱动信号示意图。

但是，现有技术中第一开关管和第二开关管为开关特性相同的开关管，例如开关频率相同，耐压大小相同，均选择的是耐压较高的开关管，这样两个开关管的功率损耗比较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种带有飞跨电容的三电平变换器及控制方法，能够降低开关管的功率损耗，进一步降低整个变换器的功耗。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

本申请提供一种带有飞跨电容的三电平变换器，包括：第一开关管、第二开关管、电感、飞跨电容、第一二极管、第二二极管和控制器； 所述第一开关管和所述第二开关管选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率或器件耐压；

所述电感的第一端连接所述变换器的第一输入端，所述电感的第二端连接第一节点；所述第一开关管的第一端连接所述第一节点，所述第一开关管的第二端连接第二节点，所述第二开关管的第一端连接所述第二节点，所述第二开关管的第二端连接所述变换器的第二输入端；所述第一二极管的阳极和阴极分别连接所述第一节点和第三节点，所述第二二极管的阳极和阴极分别连接所述第三节点和所述变换器的第一输出端；所述飞跨电容的第一端连接所述第二节点，所述飞跨电容的第二端连接所述第三节点；

所述控制器，用于发送第一驱动信号给所述第一开关管，发送第二驱动信号给所述第二开关管；在每个预设时间段时，所述第一驱动信号存在P个脉冲，所述第二驱动信号存在Q个脉冲，所述P为大于等于2的整数，所述Q大于所述P；在所述第一驱动信号的第一脉冲周期所述第二驱动信号存在N个脉冲，在所述第一驱动信号的第二脉冲周期所述第二驱动信号存在M个脉冲，所述N为大于等于2的整数，所述M为大于等于1的整数，M+N=Q；所述电感在所述每个预设时间段内充放电P+N+M次。

优选地，所述第二驱动信号的Q个脉冲对应所述第一驱动信号P个脉冲的低电平阶段。

优选地，所述第二驱动信号的Q个脉冲对应所述第一驱动信号P个脉冲的高电平阶段。

优选地，所述P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。

优选地，所述P个脉冲的频率相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。

优选地，所述P个脉冲的频率相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。

优选地，所述P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。

优选地，所述N个脉冲的脉冲宽度不相等，所述M个脉冲的脉冲宽度相等；

或，

所述N个脉冲的脉冲宽度相等，所述M个脉冲的脉冲宽度不相等；

或，

所述N个脉冲的脉冲宽度相等，所述M个脉冲的脉冲宽度相等，所述N个脉冲的脉冲宽度和所述M个脉冲的脉冲宽度不相等。

优选地，还包括：第三开关管；

所述第三开关管的第一端连接所述第二节点，所述第三开关管的第二端连接所述飞跨电容的第一端。

优选地，还包括：第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的阳极连接所述变换器的输出电压的中点，所述第三二极管的阴极连接所述第三节点；所述第四二极管的阳极连接所述第二节点，所述第四二极管的阴极连接所述输出电压的中点。

优选地，还包括：第四开关管；

所述第四开关管的第一端连接所述飞跨电容的第一端，所述第四开关管的第二端连接所述变换器的负输出端。

优选地，所述三电平变换器为三电平BUCK电路。

优选地，所述三电平变换器为三电平逆变器。

本申请还提供一种带有飞跨电容的三电平变换器的控制方法，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、电感、飞跨电容、第一二极管、第二二极管和控制器；所述第一开关管和所述第二开关管选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率或器件耐压；

该方法包括：

发送第一驱动信号给所述第一开关管，发送第二驱动信号给所述第二开关管；在每个预设时间段时，所述第一驱动信号存在P个脉冲，所述第二驱动信号存在Q个脉冲，所述P为大于等于2的整数，所述Q大于所述P；在所述第一驱动信号的第一脉冲周期所述第二驱动信号存在N个脉冲，在所述第一驱动信号的第二脉冲周期所述第二驱动信号存在M个脉冲，所述N为大于等于2的整数，所述M为大于等于1的整数，M+N=Q；所述电感在所述每个预设时间段内充放电P+N+M次。

通过上述技术方案可知，本申请具有以下有益效果：

本申请提供的变换器中的两个主功率管采用不同特性的开关管，例如开关频率和耐压均不相同，一个耐压高，另一个耐压低；第一开关管对应第一驱动信号给，第二开关管对应第二驱动信号；在每个预设时间段时，第一驱动信号存在P个脉冲，第二驱动信号存在Q个脉冲，在第一驱动信号的第一脉冲周期第二驱动信号存在N个脉冲，在第一驱动信号的第二脉冲周期第二驱动信号存在M个脉冲，电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。

由于本申请提供的变换器中的两个主功率管采用不同开关特性的开关管，其中一个选用耐压较低的开关管另一个选用耐压较高的开关管，这样相比传统中两个均选用耐压较高的开关管，功率损耗得以降低，进而可以降低整个变换器的功率损耗，从而提高变换器的电能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图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为现有技术提供的一种带有飞跨电容的三电平DCDC变换器的示意图；

图2为图1对应的一种第一开关管和第二开关管的驱动信号交错180度的示意图；

图3为图1对应的另一种第一开关管和第二开关管的驱动信号交错180度的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的三电平变换器的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的三电平变换器的驱动信号的示意图；

图6为本申请实施例提供的三电平变换器的一种时序图；

图7为本申请实施例提供的三电平变换器的另一种时序图；

图8a为本申请实施例提供的另一种第一开关管和第二开关管的驱动信号的时序图；

图8b为本申请实施例提供的电感电流优化后的驱动脉冲的时序图；

图8c为本申请实施例提供的第一开关管和第二开关管的驱动信号的时序图；

图9为本申请实施例提供的三电平变换器的又一种时序图；

图10为本申请实施例提供的有一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图；

图11为本申请实施例提供的再一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图；

图12为本申请实施例提供的再一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图；

图13为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的降压变换器的电路图；

图14为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的逆变器的电路图;

图15为本申请实施例提供的一种带飞跨电容的三电平变换器的控制方法流程图。

具体实施方式

为了帮助更好地理解本申请实施例提供的方案，在介绍本申请实施例提供的方法之前，先介绍本申请实施例方案的应用的场景。

本申请不具体限定该带有飞跨电容的三电平变换器的应用场景，例如可以为光伏发电领域，也可以为储能领域，也可以为其他需要电能变换的场景。其中带有飞跨电容的三电平变换器可以为升压直流直流DCDC变换器，也可以为降压DCDC变换器。

另外，本申请实施例提供的方案不仅适用于三电平DCDC变换器，还可以适用于带有飞跨电容的三电平逆变电路。

下面先结合附图介绍本申请实施例提供的带有飞跨电容的三电平变换器。

变换器实施例

参见图4，该图为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的三电平变换器的示意图。为了方便理解，本申请实施例先以三电平DCDC变换器为例进行介绍。

参见图5，该图为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的DCDC变换器的驱动信号的示意图。

本实施例提供的带有飞跨电容的DCDC变换器，包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、飞跨电容CF和控制器100；第一开关管Q1和第二开关管Q2为主功率管；

所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率和器件耐压；

控制器100用于向第一开关管Q1的栅极和第二开关管Q2的栅极发送驱动信号，以控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关状态，例如驱动信号为高电平时，开关管导通；当驱动信号为低电平时，开关管关断。

电感L的第一端连接变换器的第一输入端，电感L的第二端连接第一节点；第一开关管Q1的第一端连接第一节点，第一开关管Q1的第二端连接第二节点，第二开关管Q2的第一端连接第二节点，第二开关管Q2的第二端连接变换器的第二输入端；第一二极管D1的阳极和阴极分别连接第一节点和第三节点，第二二极管D2的阳极和阴极分别连接第三节点和变换器的第一输出端；飞跨电容CF的第一端连接第二节点，飞跨电容CF的第二端连接第三节点。

控制器100，用于发送第一驱动信号Vg1给第一开关管Q1，发送第二驱动信号Vg2给第二开关管Q2；

在每个预设时间段时，图5中以T表示预设时间段，应该理解，T既不是T1的驱动信号的周期，也不是T2的驱动信号对应的周期。Vg1表示Q1的驱动信号，Vg2表示Q2的驱动信号。在每个预设时间段时，第一驱动信号Vg1存在P个脉冲，第二驱动信号Vg2存在Q个脉冲，P为大于等于2的整数，Q大于P；在第一驱动信号Vg1的第一脉冲周期T1第二驱动信号Vg2存在N个脉冲，在第一驱动信号Vg1的第二脉冲周期T2第二驱动信号Vg2存在M个脉冲，N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，M+N=Q；电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。

如图5所示，以P=2，Q=3为例，其中，N=2，M=1，在一个预设时间段T内，电感电流的充放电次数为P+N+M=2+2+1=5次，因此，电感的充放电周期增加，纹波减小，有利于减小电感的体积。

本申请实施例提供的带有飞跨电容的三电平变换器，由于在每个预设时间段内，第一开关管和第二开关管的驱动信号的周期都增加，因此，在每个预设时间段内，电感的充放电次数增加，从而可以有效降低电感的纹波电流，由于纹波电流降低，因此，电感可以采取较小的感值，从而有效降低电感的体积，进一步减小整个三电平变换器的体积。

本申请提供的变换器中的两个主功率管采用不同特性的开关管例如开关频率和耐压均不相同，一个耐压高，另一个耐压低；第一开关管对应第一驱动信号给，第二开关管对应第二驱动信号；在每个预设时间段时，第一驱动信号存在P个脉冲，第二驱动信号存在Q个脉冲，在第一驱动信号的第一脉冲周期第二驱动信号存在N个脉冲，在第一驱动信号的第二脉冲周期第二驱动信号存在M个脉冲，电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。

本申请实施例提供的技术方案，两个开关管的开关频率不同，一个开关频率较高，另一个开关频率较低，具体地，可以第一开关管的开关频率大于第二开关管的开关频率，也可以第一开关管的开关频率小于第二开关管的开关频率。为了方面理解和便于描述，以下实施例中以第一开关管的开关频率较低，第二开关管的开关频率较高为例进行介绍。实际产品中，可以选择其中一个开关管的开关频率较高，则选择频率较高的开关管，另一个可以选择频率较低的开关管，即可以选择两个不同开关特性的开关管。一旦开关管选定，则在工作中不会来回变换驱动信号，即第一开关管一直对应第一驱动信号，第二开关管一直对应第二驱动信号。

由于本申请提供的变换器中的两个主功率管采用不同开关特性的开关管，其中一个选用耐压较低的开关管另一个选用耐压较高的开关管，这样相比传统中两个均选用耐压较高的开关管，功率损耗得以降低，进而可以降低整个变换器的功率损耗，从而提高变换器的电能转换效率。

下面结合附图介绍几种P个脉冲以及Q个脉冲的具体实现方式。

如果将每个预设时间段作为一个周期T，对于Vg1存在P个脉冲，对P个脉冲的频率和脉冲宽度本申请实施例不做任何限定，即P个脉冲的频率可以相等，也可以不相等，P个脉冲的脉冲宽度可以相等，也可以不相等。

例如，包括以下几种情况：P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。P个脉冲的频率相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。

参见图6，该图为本申请实施例提供的三电平变换器的一种时序图。

图6所示的时序图中，对于Vg1，在一个周期T内，P个脉冲的频率不相同，脉冲宽度也不相同。

图6中所示的Vg2的N个脉冲的脉冲宽度和频率本申请实施例中不做具体限定，对于M个脉冲的脉冲宽度和频率本申请实施例中也不做具体限定，

N个脉冲的脉冲宽度不相等，M个脉冲的脉冲宽度相等；

或，

N个脉冲的脉冲宽度相等，M个脉冲的脉冲宽度不相等。

或，

N个脉冲的脉冲宽度相等，M个脉冲的脉冲宽度相等，N个脉冲的脉冲宽度和M个脉冲的脉冲宽度不相等。

图6中所示的一种情况是，Vg2的N个脉冲的脉冲宽度相等，频率相同。对于N个脉冲和M个脉冲之间的脉宽和频率本申请实施例不做限定，例如，M个脉冲和N个脉冲的脉冲宽度相同。

参见图7，该图为本申请实施例提供的三电平变换器的另一种时序图。

Vg2在Vg1的第一脉冲周期T1内存在N个脉冲（N大于等于2），Vg2在Vg1的第二脉冲周期T2内存在M个脉冲（M大于等于1）。对第一脉冲周期T1内存在的N个脉冲和第二脉冲周期T2内存在的M个脉冲的频率和脉冲宽度不做限定。

图7中，N个脉冲的脉宽不相同，N个脉冲的频率也不相同。M个脉冲的频率相同，脉宽也相同。

综合图5-图7可以看出，第二驱动信号的Q个脉冲对应第一驱动信号P个脉冲的低电平阶段，即在第二驱动信号的Q个脉冲仅存在于第一驱动信号P个脉冲的低电平阶段，在第一驱动信号P个脉冲的高电平阶段，并没有第二驱动信号的脉冲存在。

下面结合附图先介绍三电平变换器为DCDC变换器的情况，并且为一种升压变换器，升压比可以存在两种情况，一种是升压比小于2，一种是升压比大于2，下面分别进行介绍。

在第一驱动信号的每个周期内，第二驱动信号的N个脉冲对应第一驱动信号的低电平阶段时，或，第一驱动信号的N个脉冲对应第二驱动信号的低电平阶段时，三电平变换器的升压比小于2。

在第一驱动信号的每个周期内，第二驱动信号的N个脉冲对应第一驱动信号的高电平阶段时，或，第一驱动信号的N个脉冲对应第二驱动信号的高电平阶段时，三电平变换器的升压比大于2。

下面结合附图先介绍三电平变换器为DCDC变换器的情况，并且为一种升压变换器，升压比小于2的情况，即输出电压与输入电压的比值小于2。

参见图8a，该图为本申请实施例提供的第一开关管和第二开关管的驱动信号的时序图。

图8a中，PWM1为第一开关管的驱动信号，PWM2为第二开关管的驱动信号。

从图8a中可以看出，在第一驱动信号PWM1的每个周期内，第二驱动信号PWM2的N个脉冲对应第一驱动信号PWM1的低电平阶段时，三电平变换器的升压比小于2。

从图8a中可以看出，在第一驱动信号PWM1的一个周期内，例如周期为Ts，在Ts内，PWM1存在一个脉冲，PWM2存在N个脉冲，并且，为了实现电感的电流纹波最小，控制PWM2的N个脉冲均在PWM1的低电平阶段，这样可以保证电感电压为两个电压矢量合成的，这样才可以使电感的纹波电流最低。因为电感电压由两个电压矢量合成时，合成的电压矢量最优。如果电感电压由更多个电压矢量来合成，则合成的电压不是最优的。例如，三个电压矢量合成的电压相比于两个电压矢量合成的电压，纹波比较大。

下面结合图8a，分析三电平升压变换器的各种工作情况。图8a为电感电流未优化时的驱动脉冲的时序图。

图8a中，载波1为产生PWM1的三角波，载波2为产生PWM2的三角波。其中，T1为载波1的三角波周期，T2为PWM2的三角波周期。t1为PWM1的一个脉冲的高电平持续时间，t2为PWM2的一个脉冲的高电平持续时间。从图8a可以看出，PWM2的N个脉冲存在于PWM1的低电平时间段内。以T1=1/2Ts为例进行介绍。t1对应的占空比为d1，t2对应的占空比为d2。

结合飞跨电容的伏秒平衡要求可知，稳态条件下：

1）当T1＞N•T2时，t1的占空比一定小于1；其约束条件为：d1max = N•T2/T1；

2）当T1＜N•T2时，t2的占空比一定小于1；其约束条件为：d2max = T1/(N•T2)；

3）当T1=N•T2时，两组占空比取值范围为0~1，且稳态条件下d1=d2，有利于工程实现与简化；

4）当d1=d2=1时，相当于三电平变换器中的两个开关管同频动作，且等效为常规占空比0.5，即该升压电路最大升压比为2。

以上介绍的是，为了降低电感电流的纹波，使两个电压矢量合成电感电压的最优情况，即PWM2的N个脉冲出现在PWM1的低电平时间段。下面介绍另一种实现方式，即PWM2的N个脉冲出现在PWM1的高电平时间段，也可以实现电压的最优合成，即由两个电压矢量来合成。

下面结合电感电流优化后的脉冲时序来分析。

参见图8b，该图为本申请实施例提供的电感电流优化后的驱动脉冲的时序图。

如图8b所示，在Ts内，包括3个00电压矢量、一个10电压矢量和2个01电压矢量。根据电压矢量的关系，为了实现最优电压的合成，控制3个00电压矢量的作用时间均相等；控制10电压矢量的纹波增量和2个01电压矢量的纹波增量相等。

飞跨电容的电压具体需要结合飞跨电容和占空比进行控制，即工程应用中，飞跨电容的电压Vcf与占空比d相关。

Vcf=f(d，N)×Vout。

通过以上公式可以看出，Vcf与N、d、和变换器的输出电压Vout均相关。

参见图8c，该图为本申请实施例提供的第一开关管和第二开关管的驱动信号的时序图。

在第一驱动信号PWM1的每个周期内，第二驱动信号PWM2的N个脉冲对应第一驱动信号PWM1的高电平阶段时，三电平变换器的升压比大于2。

本申请实施例中，第二驱动信号的N个脉冲存在第一驱动信号的高电平阶段存在，能够保证电感电压是由两个电压矢量合成的，保证合成的电压质量较高，从而使电感电压上的纹波最小。同理，第二驱动信号的N个脉冲存在第一驱动信号的低电平阶段存在，能够保证电感电压是由两个电压矢量合成的，保证合成的电压质量较高，从而使电感电压上的纹波最小。

结合飞跨电容的伏秒平衡要求可知，稳态条件下：

1）当T1＞N•T2时，d1的占空比一定大于0；其约束条件为：d1min = 1-N•T2/T1；

2）当T1＜N•T2时，d2的占空比一定大于0；其约束条件为：d2min= 1-T1/(N•T2)；

3）当T1=N•T2时，两组占空比取值范围为0~1，且稳态条件下d1=d2，有利于工程实现与简化；

4）当d1=d2=0时，相当于三电平电路中的两个驱动管同频动作，且等效为常规占空比0.5，即该Boost电路最小升压比为2。

本申请实施例提供的三电平变换器，其中第一开关管可以采用低频开关器件，第二开关管可以采用高频开关器件，两个开关器件可以选择不同特性的开关器件，例如一个开关频率较高，另一个开关频率较低。另外，不同特性除了开关频率不同以外，还可以包括耐压不同，即一个开关管耐压高，另一个开关管耐压低。

本申请实施例不具体限定第一开关管的占空比和第二开关管的占空比，例如可以大于0.5，也可以小于0.5。

下面介绍第一驱动信号Vg1的占空比大于0.5的情况。

参见图9，该图为本申请实施例提供的三电平变换器的又一种时序图。

图9中可以看出，在一个周期T内，Vg1的占空比大于0.5。

应该理解，由于在一个周期T内，Vg1存在多个脉冲周期，Vg1的占空比是指一个周期T内的总体占空比，即在T内，多个脉冲的脉宽之和与T的比值大于0.5。

具体工作时，控制器，用于根据三电平变换器的输入电压、输出电压、电感电流和飞跨电容电压等条件控制第一开关管和第二开关管的开关状态，即控制第一开关管和第二开关管的导通或者关断，从而实现电感电流在每个周期T内的充电电流等于放电电流；进一步，也可以为电感电流的每个充放电周期内的充电电流等于放电电流。

本申请实施例提供的三电平变换器还可以具有其他拓扑形式，下面结合附图进行详细介绍。

参见图10，该图为本申请实施例提供的有一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图。

本实施例提供的三电平变换器，与图4的区别是，该变换器还包括：第三开关管Q3；

第三开关管Q3的第一端连接第二节点，第三开关管Q3的第二端连接飞跨电容CF的第一端。

第三开关管Q3的作用是防止第二开关管Q2和第二二极管D2过压，三电平变换器启动时，第三开关管Q3断开，防止输入电压Vin通过电感L、D1、CF、Q3和第二开关管Q2形成回路，防止第二开关管Q2过压。当三电平变换器Vin没电时，三电平变换器的输出端即BUS有电时，防止电流从三电平变换器的输出端流向输入端，因此，断开第三开关管Q3，防止D2、CF、Q1和L形成通路。其余情况下，第三开关管Q3均闭合。

参见图11，该图为本申请实施例提供的再一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图。

还包括：第四开关管Q4；

第四开关管Q4的第一端连接飞跨电容CF的第一端，第四开关管Q4的第二端连接变换器的负输出端，即BUS-。

三电平变换器启动时，第四开关管Q4闭合，进而可以给CF充电，当飞跨电容CF上的电压被充电预设电压值时，Q4断开。

应该理解，为了降低充电电流对于飞跨电容CF的冲击，该变换器还可以包括与第四开关管Q4串联的限流电阻。

参见图12，该图为本申请实施例提供的再一种带有飞跨电容的三电平变换器的电路图。

本实施例提供的三电平变换器，还包括：第三二极管D3和第四二极管D4；

第三二极管D3的阳极连接变换器的输出电压的中点，第三二极管D3的阴极连接第三节点；第四二极管D4的阳极连接第二节点，第四二极管D4的阴极连接输出电压的中点。

该变换器在图1所示的拓扑图的基础上还包括：第三二极管D3和第四二极管D4。

第三二极管D3的阳极连接三电平变换器的输出电压的中点，即第三二极管D3的阳极连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第一端连接第二电容C2的第一端，第一电容C1的第二端连接第一输出端，第二电容C2的第二端连接第二输出端。

第三二极管D3的阴极连接所述第三节点C。D3的作用是对D4承受的压降进行箝位，防止在第二开关管Q2导通时，D4承受整个直流母线电压。

第四二极管D4的阳极连接所述第二节点B，第四二极管D4的阴极连接输出电压的中点，即第四二极管D4的阴极连接第一电容C1的第一端。

控制器通过给第一开关管Q1和第二开关管Q2施加不对称的驱动信号，也能够提高电感L充放电频率，从而降低电感L的纹波电流。

均是为了在电源启动时，即电源接入时，降低第二开关管Q2承受的电压应力，图12对于图1所示的电路，存在以下优点：

图12中增加D3和D4，是为了在电源接通时，CF和C1并联，Vin为CF进行充电，CF不存在电压为0的时刻，因此，Vin不会完全施加在第二开关管Q2上，从而降低第二开关管Q2所承受的电压应力，对第二开关管Q2起到保护作用。

以上介绍的三电平变换器以升压Boost电路为例，下面结合附图介绍三电平变换器为降压BUCK电路的情况。

参见图13，该图为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的降压变换器的电路图。

本实施例提供的变换器，三电平变换器为三电平BUCK电路。

第一开关管Q1的第一端连接变换器的正输入端，第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端，第二开关管Q2的第二端连接第一二极管的阴极，第一二极管D1的阳极连接第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极连接变换器的负输入端。

飞跨电容CF的第一端连接第一开关管Q1的第二端，飞跨电容CF的第二端连接第一二极管D1的阳极；

电感L的第一端连接第一二极管D1的阴极，电感L的第二端连接变换器的输出端。

由于图13所示的变换器为降压变换器，因此，输出电压Vo小于输入电压Vin。

参见图14，该图为本申请实施例提供的一种带有飞跨电容的逆变器的电路图。

本实施例提供的变换器还可以为逆变器，即为三电平逆变器。

带有飞跨电容的三电平逆变器包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、飞跨电容CF和电感L。

第一开关管Q1的第一端变换器的正输入端，第一开关管Q1的第二端连接第二开关管Q2的第一端，第二开关管Q2的第二端连接第三开关管Q3的第一端，第三开关管Q3的第二端连接第四开关管Q4的第一端，第四开关管Q4的第二端连接变换器的负输入端。

飞跨电容CF的第一端连接第二开关管Q2的第一端，飞跨电容CF的第二端连接第三开关管Q3的第二端。

电感L的第一端连接第二开关管Q2的第二端，电感L的第二端连接变换器的输出端。

由于逆变器的作用是将输入的直流电转换为交流电，因此，输入电压Vin为直流电压，输出电压Vo为交流电压。

方法实施例

基于以上实施例提供的一种带有飞跨电容的三电平变换器，本申请实施例还提供一种带有飞跨电容的三电平变换器的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。

参见图15，该图为本申请提供的一种带有飞跨电容的三电平变换器的控制方法的流程图。

本实施例提供的带有飞跨电容的三电平变换器的控制方法，变换器包括：第一开关管、第二开关管、电感、飞跨电容、第一二极管、第二二极管和控制器；所述第一开关管和所述第二开关管选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率或器件耐压；

该方法包括：

S1501：发送第一驱动信号给第一开关管，在每个预设时间段时，第一驱动信号存在P个脉冲；

S1502：发送第二驱动信号给第二开关管；在每个预设时间段时，第二驱动信号存在Q个脉冲；

P为大于等于2的整数，Q大于P；在第一驱动信号的第一脉冲周期第二驱动信号存在N个脉冲，在第一驱动信号的第二脉冲周期第二驱动信号存在M个脉冲，N为大于等于2的整数，M为大于等于1的整数，M+N=Q；电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。

本申请提供的方法应用的变换器的两个主功率管采用不同特性的开关管，例如开关频率和耐压均不相同，一个耐压高，另一个耐压低；第一开关管对应第一驱动信号给，第二开关管对应第二驱动信号；在每个预设时间段时，第一驱动信号存在P个脉冲，第二驱动信号存在Q个脉冲，在第一驱动信号的第一脉冲周期第二驱动信号存在N个脉冲，在第一驱动信号的第二脉冲周期第二驱动信号存在M个脉冲，电感在每个预设时间段内充放电P+N+M次。

这样相比传统中两个均选用耐压较高的开关管，功率损耗得以降低，进而可以降低整个变换器的功率损耗，从而提高变换器的电能转换效率。

需要说明的是，在本文中，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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请对这些实施例的多种修改对本领域的专业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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种带有飞跨电容的三电平变换器，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、电感、飞跨电容、第一二极管、第二二极管和控制器； 所述第一开关管和所述第二开关管选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率或器件耐压；

所述电感的第一端连接所述变换器的第一输入端，所述电感的第二端连接第一节点；所述第一开关管的第一端连接所述第一节点，所述第一开关管的第二端连接第二节点，所述第二开关管的第一端连接所述第二节点，所述第二开关管的第二端连接所述变换器的第二输入端；所述第一二极管的阳极连接所述第一节点，所述第一二极管的阴极连接第三节点，所述第二二极管的阳极和阴极分别连接所述第三节点和所述变换器的第一输出端；所述飞跨电容的第一端连接所述第二节点，所述飞跨电容的第二端连接所述第三节点；

所述控制器，用于发送第一驱动信号给所述第一开关管，发送第二驱动信号给所述第二开关管；在每个预设时间段时，所述第一驱动信号存在P个脉冲，所述第二驱动信号存在Q个脉冲，所述P为大于等于2的整数，所述Q大于所述P；在所述第一驱动信号的第一脉冲周期所述第二驱动信号存在N个脉冲，在所述第一驱动信号的第二脉冲周期所述第二驱动信号存在M个脉冲，所述N为大于等于2的整数，所述M为大于等于1的整数，M+N=Q；所述电感在所述每个预设时间段内充放电P+N+M次。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第二驱动信号的Q个脉冲对应所述第一驱动信号P个脉冲的低电平阶段。

3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第二驱动信号的Q个脉冲对应所述第一驱动信号P个脉冲的高电平阶段。

4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。

5.根据权利要求1-3任一项所述的变换器，其特征在于，所述P个脉冲的频率相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。

6.根据权利要求1-3任一项所述的变换器，其特征在于，所述P个脉冲的频率相同，所述P个脉冲的脉冲宽度相等。

7.根据权利要求1-3任一项所述的变换器，其特征在于，所述P个脉冲的频率不相同，所述P个脉冲的脉冲宽度不相等。

8.根据权利要求1-3任一项所述的变换器，其特征在于，所述N个脉冲的脉冲宽度不相等，所述M个脉冲的脉冲宽度相等；

或，

所述N个脉冲的脉冲宽度相等，所述M个脉冲的脉冲宽度不相等；

或，

所述N个脉冲的脉冲宽度相等，所述M个脉冲的脉冲宽度相等，所述N个脉冲的脉冲宽度和所述M个脉冲的脉冲宽度不相等。

9.根据权利要求1-4任一项所述的变换器，其特征在于，还包括：第三开关管；

所述第三开关管的第一端连接所述第二节点，所述第三开关管的第二端连接所述飞跨电容的第一端。

10.根据权利要求1-4任一项所述的变换器，其特征在于，还包括：第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的阳极连接所述变换器的输出电压的中点，所述第三二极管的阴极连接所述第三节点；所述第四二极管的阳极连接所述第二节点，所述第四二极管的阴极连接所述输出电压的中点。

11.根据权利要求1-4任一项所述的变换器，其特征在于，还包括：第四开关管；

所述第四开关管的第一端连接所述飞跨电容的第一端，所述第四开关管的第二端连接所述变换器的负输出端。

12.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述三电平变换器为三电平BUCK电路。

13.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述三电平变换器为三电平逆变器。

14.一种带有飞跨电容的三电平变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、电感、飞跨电容、第一二极管、第二二极管和控制器；所述第一开关管和所述第二开关管选用不同特性的开关管，其中，所述不同特性至少包括开关频率或器件耐压；

该方法包括：

发送第一驱动信号给所述第一开关管，发送第二驱动信号给所述第二开关管；在每个预设时间段时，所述第一驱动信号存在P个脉冲，所述第二驱动信号存在Q个脉冲，所述P为大于等于2的整数，所述Q大于所述P；在所述第一驱动信号的第一脉冲周期所述第二驱动信号存在N个脉冲，在所述第一驱动信号的第二脉冲周期所述第二驱动信号存在M个脉冲，所述N为大于等于2的整数，所述M为大于等于1的整数，M+N=Q；所述电感在所述每个预设时间段内充放电P+N+M次。

Images