阅读说明：本技术 一种钳位型三电平升压功率变换电路 (Clamp type three-level boost power conversion circuit ) 是由 王文波 屈恺 鲁锦锋 周洪伟 梁欢迎 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：一种钳位型三电平升压功率变换电路,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、输出上母线电、输出下母线电容及负载单元；本发明中第四单向导通器件和第五单向导通器件组成钳位模块,用于对第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的均压,对第一开关模块T1和第二开关模块T2的均压,从而避免半导体器件过压击穿的问题。由于输入和输出为共地系统,解决了传统三电平Boost拓扑中共模干扰的问题。(A clamp type three-level boost power conversion circuit comprises a power supply, an inductor, a first switch module, a second switch module, a first one-way conduction device, a second one-way conduction device, a third one-way conduction device, a fourth one-way conduction device, a fifth one-way conduction device, an upper bus output capacitor, a lower bus output capacitor and a load unit; in the invention, the fourth one-way conduction device and the fifth one-way conduction device form a clamping module which is used for equalizing the voltage of the first one-way conduction device D1 and the voltage of the second one-way conduction device D2 and equalizing the voltage of the first switch module T1 and the voltage of the second switch module T2, thereby avoiding the problem of overvoltage breakdown of semiconductor devices. Because the input and the output are common ground systems, the problem of common mode interference in the traditional three-level Boost topology is solved.)

一种钳位型三电平升压功率变换电路

技术领域

本申请涉及三电平升压功率变换电路技术领域，尤其涉及一种钳位型三电平升压功率变换电路。

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。

两电平Boost升压电路如图1所示，当应用在中压大功率情况下，图1中的T和D均需要高压器件，选择困难，价格高昂。通过用较小耐压等级器件的串联来实现较高等级的电压输出是一种常用的方法，如图2所示。但器件的简单串联在使用过程中易发生不均压，导致个别器件承受较高的电压应力，进而发生过电压击穿。

图3为传统三电平Boost电路，在光伏上用作MPPT电路时，由于电源的正负与母线的正负均不等电位，导致产生较大的共模电压，影响电路和系统正常运行。

发明内容

本发明提供了一种钳位型三电平升压功率变换电路，能够解决现有技术中存在的器件串联使用不均压问题和电源的正负与母线的正负均不等电位造成的共模干扰问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钳位型三电平升压功率变换电路，包括电源、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，输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus-以及负载单元；所述电源正极与电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2依次串联形成回路，所述第一单向导通器件D1的阳极与电感L和第一开关模块T1的串联节点相连接，第二单向导通器件D2的阳极与第一单向导通器件D1的阴极相连接、所述输出上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-依次串联，输出上母线电容Cbus+的另一端与第二单向导通器件D2的阴极相连接，下母线电容Cbus-的另一端与电源的负极相连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电源的正极相连接，第三单向导通器件D3的阴极与第二单向导通器件D2的阴极相连接。其特征在于所述升压功率变换电路还包括钳位模块。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第四单向导通器件D4，所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第四单向导通器件D4和第一阻容单元Z1，所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接；所述第一阻容单元Z1与第一开关模块T1并联连接。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第五单向导通器件D5，所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第五单向导通器件D5和第二阻容单元Z2，所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接；所述第二阻容单元Z2与第一单向导通器件D1并联连接。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第四单向导通器件D4和第五单向导通器件D5，所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接；所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接。

所述嵌位模块优选的一种电路为：包括第四单向导通器件D4、第五单向导通器件D5、第一阻容单元Z1和第二阻容单元Z2。所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接；所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接；所述第一阻容单元Z1与第一开关模块T1并联连接，所述第二阻容单元Z2与第一单向导通器件D1并联连接。

所述嵌位模块在升压功率变换电路启动时，升压功率变换电路还未建立输出电压，并且所述第二开关模块T2的电压应力小于电源电压Vin时，第四单向导通器件D4正向导通将第二开关模块T2的电位钳位至下母线电压；所述升压功率变换电路正常工作时,当第一开关模块T1先开通后关断，第二开关模块T2后开通先关断时，第四单向导通器件D4正向导通将第二开关模块T2两端电压钳位至下母线电压。

当升压功率变换电路的母线电压已建立，电源未上电，且所述第二单向导通器件D2电压应力小于上母线电压和下母线电压之和时，所述第五单向导通器件D5正向导通，将第二单向导通器件D2的电压钳位至上母线电压；当升压功率变换电路正常工作时，第一开关模块T1和第二开关模块T2均开通时，第五单向导通器件D5正向导通将第二单向导通器件D2两端电压钳位至上母线电压。

所述嵌位模块中的第一阻容单元Z1和第二阻容单元Z2为纯电阻或电阻和电容的串并联结构。

与现有技术相比，本申请实施例中，由于在升压功率变换电路中增加了嵌位模块，该模块中的第四单向导通器件D4可将第二开关模块电压钳位至下母线电压，所以能够限制第二开关模块的应力，因此在电源上电，母线电压未建立时可将第二开关模块的应力有效钳位至下母线电压。在正常工作过程中，两个开关管的时序为，第一开关管先开通后关断，第二开关管后开通先关断，按此工作时序，在开关管开通和关断过程中，第四单向导通器件均可将第二开关模块的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。

在一些实施方式中，所述嵌位模块中还包括第一阻容单元Z1，所述第一阻容单元Z1并联在第一开关模块的两端。第一阻容单元为电阻和电容组成，可以是电阻和电容的串并联，也可以是单纯的电阻或者电容。所述第一阻容单元Z1用于在第一开关模块T1和第二开关模块T2均断开，需自然均压时，通过减小第一开关模块T1的阻抗来提高第二开关模块T2两端的电压应力，当第二开关模块T2的电压应力大于下母线电压时，第四单向导通器件D4正向导通将第二开关模块T2的电压应力钳位至下母线电压。

本申请实施例中，由于在升压功率变换电路中增加了嵌位模块，该模块中的第五单向导通开关D5可将第二单向导通器件D2电压钳位至上母线电压，所以能够限制第二单向导通器件D2的应力，因此在电源未上电，母线电压已建立时，可将第二单向导通器件D2的应力有效钳位至上母线电压。在正常工作过程中，两个开关模块均开通时，第五单向导通器件D5均可将第二单向导通器件D2的应力钳位至上母线电压，从而有效保护第二单向导通器件，避免过压击穿。

在一些实施方式中，所述升压功率变换电路还包括第二阻容单元Z2，所述第二阻容单元Z2并联在第一单向导通器件D1的两端。第二阻容单元为电阻和电容组成，可以是电阻和电容的串并联，也可以是单纯的电阻或者电容。所述第二阻容单元Z2用于在第一开关模块T1和第二开关模块T2均开通，需自然均压时，通过减小第一单向导通器件D1的阻抗来提高第二单向导通器件D2两端的电压应力，当第二单向导通器件D2的电压应力大于上母线电压时，第五单向导通器件正向导通将第二单向导通器件D2的电压应力钳位至上母线电压。

所述第三单向导通器件D3的正向压降小于第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联压降。所述第五单向导通器件D5的耐压大于下母线电压。在正常工作阶段，当第一开关模块T1和第二开关模块T2均关断时，电源电流通过第三单向导通器件D3直接流向母线，这样能够明显降低系统损耗。

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1两电平Boost升压电路的拓扑结构示意图。

图2本发明升压功率变换电路的基本电路图。

图3传统对称Boost升压电路的拓扑结构示意图。

图4a本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图4b本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图5a本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图5b本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图6a本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图6b本发明升压功率变换电路的一种电路图。

图7a本发明4个开关模态对应的电流流通路径示意图，其中图7a(1)为开关模态a，图7a(2)为开关模态b，图7a(3)为开关模态c，图7a(4)为开关模态d。

图7b本发明T1、T2的驱动信号图。

图8a本发明图6a镜像的升压功率变换电路的电路图。

图8b发明图6b镜像的升压功率变换电路的电路图。

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三电平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本发明升压功率变换电路的一种基本电路图，如图2所示一种钳位型三电平升压功率变换电路，其包括电源、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，输出上母线电容Cbus+、输出下母线电容Cbus-以及负载单元。所述电源正极与电感L、第一开关模块T1、第二开关模块T2依次串联形成回路，所述第一单向导通器件D1的阳极与电感L和第一开关模块T1的串联节点相连接，第二单向导通器件D2的阳极与第一单向导通器件D1的阴极相连接、所述输出上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-依次串联，输出上母线电容Cbus+的另一端与第二单向导通器件D2的阴极相连接，下母线电容Cbus-的另一端与电源的负极相连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与电源的正极相连接，第三单向导通器件D3的阴极与第二单向导通器件D2的阴极相连接。

图4a本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图2的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第四单向导通器件D4。所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接。

图4b本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图2的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第四单向导通器件D4和第一阻容单元Z1。所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接。所述第一阻容单元Z1与第一开关模块T1并联连接。

图5a本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图3的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第五单向导通器件D5。所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接

图5b本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图3的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第五单向导通器件D5和第二阻容单元Z2。所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接。所述第二阻容单元Z2与第一单向导通器件D1并联连接。

图6a本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图3的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第四单向导通器件D4和第五单向导通器件D5。所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接。

图6b本发明升压功率变换电路的一种电路图，如图所示，在图3的基本电路基础上，增加了一种嵌位电路，该嵌位电路包括第四单向导通器件D4、第五单向导通器件D5、第一阻容单元Z1和第二阻容单元Z2。所述第四单向导通器件D4的阳极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接，所述第一阻容单元Z1与第一开关模块T1并联连接，所述第二阻容单元Z2与第一单向导通器件D1并联连接。

嵌位电路在电路中的嵌位工作原理：

所述嵌位模块在升压功率变换电路启动时，升压功率变换电路还未建立输出电压，并且所述第二开关模块T2的电压应力小于电源电压Vin时，第四单向导通器件D4正向导通将第二开关模块T2的电位钳位至下母线电压；所述升压功率变换电路正常工作时,当第一开关模块T1先开通后关断，第二开关模块T2后开通先关断时，第四单向导通器件D4正向导通将第二开关模块T2两端电压钳位至下母线电压。

本申请实施例中，由于在升压功率变换电路中增加了第四单向导通器件D4，通过该器件将第二开关模块T2钳位至下母线电压，所以能够限制第二开关模块T2的电压应力，保护第二开关模块T2的电压应力不会超过下母线电压。因此在升压功率变换电路输入电源已上电且第一开关模块T1和第二开关模块T2均处于关断状态时，能够保证第二开关模块T2电压被钳位至下母线电压。

图4a中第一开关模块T1和第二开关模块T2会形成自然均压，但由于第四单向导通器件D4的存在，第二开关模块T2的电压应力不会超过下母线电压。

图4b中，在图4a的基础上增加了第一阻容单元Z1，由于第一阻容单元Z1的作用，在自然均压过程中可以确保第二开关模块T2的电压应力大于第一开关模块T1的电压应力，同时也大于下母线电压。在第四单向导通器件D4的作用下，第二开关模块T2的电压应力会被钳位至下母线电压，确保第一开关模块T1和第二开关模块T2的均压，保证各开关模块无过压击穿的风险。

本申请实施例中，由于在升压功率变换电路中增加了第五单向导通器件，通过该器件将第二单向导通器件D2钳位至上母线电压，所以能够限制第二单向导通器件D2的电压应力，保护第二单向导通器件D2的电压应力不会超过上母线电压。因此在升压功率变换电路母线电压已建立，输入未上电或者母线电压已建立，第一开关模块T1和第二开关模块T2处于开通状态时，能够保证第二单向导通器件D2电压被钳位至上母线电压。

图5a中第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2会形成自然均压，但由于第五单向导通器件D5的存在，第二单向导通器件D2的电压应力不会超过上母线电压。

图5b中，在图5a的基础上增加了第二阻容单元Z2，由于第二阻容单元Z2的作用，在自然均压过程中可以确保第二单向导通器件D2的电压应力大于第一单向导通器件D1的电压应力，同时也大于上母线电压。在第五单向导通器件D5的作用下，第二单向导通器件D2的电压应力会被钳位至上母线电压，确保第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的均压，保证各开关模块无过压击穿的风险。

图7为本发明4个开关模态对应的电流流通路径示意图及第一开关模块T1和第二开关模块T2的驱动信号图。如图所示，正常工作时第一开关模块T1和第二开关模块T2驱动信号及电感电流波形如图7b所示，T为开关周期，D为占空比。在图7b的基础上，图6a所示的升压变换电路包括图7a(1)的开关模态a，7a(2)开关模态b，7a(3)开关模态c和7a(4)开关模态d。图7a分别呈现了开关模态a，开关模态b，开关模态c和开关模态d的电流流通路径示意图。下面分别进行具体介绍：

a)开关模态a、c

这两个模态完全相同。第一开关模块T1开通，第二开关模块T2关断。电流经电源正端、电感L、第一开关模块T1、第四单向导通器件D4、下母线电容Cbus-流入电源负端。

b)开关模态b

第一开关模块T1和第二开关模块T2均开通，电流经电源正端、电感L、第一开关模块T1和第二开关模块T2流入电源负端。在这个模态下，电源给电感充电，电感储存能量。

c)开关模态d

第一开关模块T1和第二开关模块T2均关断，电流经电源正端、电感L、第一单向导通器件D1、第二单向导通器件D2、上下母线电容Cbus+和Cbus-流入电源负端。在这个模态下，电源和电感同时放电，给母线输送能量。

通过上面分析，我们可以看到在模态a和c工况下，电源都会通过电感L、第一开关模块T1和第四单向导通器件D4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。

图8为本发明提供的钳位型升压变换电路的镜像电路图。

如图8a所示，电源Vin、第一开关模块T1、第二开关模块T2、电感依次串联连接形成回路，上母线电容Cbus+、下母线电容Cbus-、第二单向导通器件D2、第一单向导通器件D1依次串联连接，所述上母线电容Cbus+的正极与电源Vin的正极相连接，所述第一单向导通器件D1的阴极与第二开关模块T2和电感L的串联节点相连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与下母线电容Cbus-和第二单向导通器件D2的串联节点相连接，所述第三单向导通器件D3的阴极与电源Vin的负极相连接，所述嵌位电路包括第四单向导通器件D4和第五单向导通器件D5。所述第四单向导通器件D4的阴极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阳极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接。

如图8b所示，电源Vin、第一开关模块T1、第二开关模块T2、电感依次串联连接形成回路，上母线电容Cbus+、下母线电容Cbus-、第二单向导通器件D2、第一单向导通器件D1依次串联连接，所述上母线电容Cbus+的正极与电源Vin的正极相连接，所述第一单向导通器件D1的阴极与第二开关模块T2和电感L的串联节点相连接，所述第三单向导通器件D3的阳极与下母线电容Cbus-和第二单向导通器件D2的串联节点相连接，所述第三单向导通器件D3的阴极与电源Vin的负极相连接，所述嵌位电路包括第四单向导通器件D4、第五单向导通器件D5、第一阻容单元Z1和第二阻容单元Z2。所述第四单向导通器件D4的阴极与第一开关模块T1和第二开关模块T2的串联节点相连接，所述第四单向导通器件D4的阳极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阴极与上母线电容Cbus+和下母线电容Cbus-的串联节点相连接，所述第五单向导通器件D5的阳极与第一单向导通器件D1和第二单向导通器件D2的串联节点相连接，所述第一阻容单元Z1与第一开关模块T1并联连接，所述第二阻容单元Z2与第一单向导通器件D1并联连接。

图8a、图8b的电路工作原理与图6a和图6b完全相同，具体的电路分析可参考图6a和图6b，此处不再赘述。