阅读说明：本技术 一种三电平Buck电路及其控制方法 (three-level Buck circuit and control method thereof ) 是由 王腾飞 庄加才 李江松 徐君 谷雨 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三电平Buck电路及其控制方法,其三电平Buck电路包括：输入电容、输出电容和至少一个桥臂,桥臂包括：充电单元、悬浮电容、两个内管、两个外管和电感；其充电单元并联于与低压侧无连接关系的外管两端,在三电平Buck电路接入电源时,原本会加在该外管两端的输入电压中的大部分电压,将通过该充电单元与悬浮电容分压而大大降低,从而避免该外管过压损坏；同时,通过该充电单元为悬浮电容进行预充电,还可避免因导通该外管为悬浮电容充电,而导致另一外管过压损坏的问题,从而提高三电平Buck电路安全性。(The invention provides a three-level Buck circuit and a control method thereof, wherein the three-level Buck circuit comprises: input capacitance, output capacitance and at least one bridge arm, the bridge arm includes: the device comprises a charging unit, a suspension capacitor, two inner pipes, two outer pipes and an inductor; the charging unit is connected in parallel with two ends of the outer tube which is not connected with the low-voltage side, when the three-level Buck circuit is connected with a power supply, most of the voltage which is originally added in the input voltage at the two ends of the outer tube is greatly reduced by dividing the voltage through the charging unit and the suspension capacitor, and therefore the outer tube is prevented from being damaged by overvoltage; simultaneously, carry out the precharge for the suspended capacitor through this charging unit, still can avoid leading to another outer tube overvoltage damage's problem because of switching on this outer tube and charge for the suspended capacitor to improve three level Buck circuit security.)

一种三电平Buck电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种三电平Buck电路及其控制方法。

背景技术

随着电力电子变换器系统电压的上升，对其相关开关器件的耐压要求也逐步提升，但因半导体工艺性能等方面的影响，高性价比器件的发展有一定的滞后性，短期内并不能满足相关耐压需求，因此，如何利用较低电压等级器件及较低的成本实现高电压的电力变换成为一个研究热点，多电平技术的提出则可以较好的解决这一问题。

图1所示的三电平Buck电路，在正常工作时第一外管K1，第一内管K2交错导通，在理想工况下，第一外管K1和第一内管K2的导通占空比相同，因此，正常工作时各个开关管的电压应力仅是输出电压的一半。然而，在该三电平Buck电路启动时，因悬浮电容Cf两端电压Vf为零，此时，若输入电压Vin大于第一外管K1的耐受电压，则会导致第一外管K1过压击穿；并且，导通第一外管K1为悬浮电容充电，则第一外管K1两端的电压瞬间转移到第二外管K4两端导致第二外管K4过压损坏，因此，该三电平Buck电路的第一外管K1和第二外管K4容易过压损坏失效，进而导致该三电平Buck电路失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三电平Buck电路及其控制方法，以解决第一外管在启动时容易过压击穿，导致第一外管失效，以及为悬浮电容充电而导通第一外管导致第二外管过压击穿失效，进而导致该飞跨电容型三电平Buck电路失效的问题。

本发明第一方面公开了一种三电平Buck电路，包括：输入电容、输出电容和至少一个桥臂，所述桥臂包括：充电单元、悬浮电容、两个内管、两个外管和电感；其中：

所述输入电容的两端分别作为所述三电平Buck电路的高压侧正负极；

所述输出电容的两端分别作为所述三电平Buck电路的低压侧正负极；

所述桥臂内，所述悬浮电容与两个内管的串联支路并联连接，两个内管之间的连接点与所述电感的一端相连，所述电感的另一端与所述低压侧正负极中的一极相连，一个外管用于分别连接所述低压侧正负极中的另一极以及所述高压侧正负极中对应的一极，另外一个外管用于连接所述高压侧正负极中的另一极，并与所述充电单元并联连接。

可选的，所述充电单元，包括：串联连接的平衡电容和充电二极管；

若所述平衡电容的一端与所述充电二极管的阳极相连，则所述平衡电容的另一端作为所述充电单元的输入端，所述充电二极管的阴极作为所述充电单元的输出端；

若所述平衡电容的一端与所述充电二极管的阴极相连，则所述平衡电容的另一端作为所述充电单元的输出端，所述充电二极管的阳极作为所述充电单元的输入端。

可选的，还包括：放电单元，用于在所述三电平Buck电路下电后为所述平衡电容放电。

可选的，所述放电单元包括：放电二极管；

若所述三电平Buck电路的低压侧负极与所述三电平Buck电路的高压侧负极相连，则所述放电二极管的阳极与所述低压侧负极和所述高压侧负极相连，所述放电二极管的阴极与所述平衡电容充电后的负极相连；

若所述三电平Buck电路的低压侧正极与所述三电平Buck电路的高压侧正极相连，则所述放电二极管的阴极与所述低压侧正极和所述高压侧正极相连，所述放电二极管的阳极与所述平衡电容充电后的正极相连。

可选的，当所述三电平Buck电路接入电压源为稳定型输入电压源时，在所述稳定型输入电压源与所述输入电容之间，还包括：限流单元；

所述限流单元，用于在所述三电平Buck电路接入输入电压源时，限制与充电单元无连接关系的外管的并联寄生电容的充电电流。

可选的，所述限流单元包括：第一开关、第二开关和限流电阻；

所述第一开关与所述限流电阻串联连接；

所述第一开关和所述限流电阻的串联支路，与所述第二开关并联。

可选的，所述桥臂的个数为n，n为大于等于2的正整数。

可选的，与所述充电单元有连接关系的内管和外管分别为逆导型晶体管，且正常工作时处于交错导通状态；

与所述充电单元无连接关系的内管和外管分别为二极管或逆导型晶体管。

本发明第二方面公开了一种三电平Buck电路的控制方法，应用于第一方面任意一项所述的三电平Buck电路的控制器，所述控制方法包括：

控制所述三电平Buck电路接入输入电压源；

在悬浮电容的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值时，控制所述三电平Buck电路中与充电单元有连接关系的内管和外管交错导通。

可选的，所述控制所述三电平Buck电路中与充电单元有连接关系的内管和外管交错导通，包括：

控制与所述充电单元有连接关系的外管导通、与所述充电单元有连接关系的内管关断，为所述三电平Buck电路的悬浮电容充电；

控制与所述充电单元有连接关系的内管和外管均关断，为所述悬浮电容和所述充电单元充电；

控制与所述充电单元有连接关系的外管关断、与所述充电单元有连接关系的内管导通，为所述充电单元充电；

返回控制与所述充电单元有连接关系的外管导通、与所述充电单元有连接关系的内管关断的步骤，直至悬浮电容的电压上升至等于所述输入电压的一半。

可选的，控制三电平Buck电路中与充电单元有连接关系的内管和外管交错导通，还包括，在所述悬浮电容的电压上升至等于所述输入电压的一半之后循环执行的以下三个步骤：

控制与所述充电单元有连接关系的外管导通、与所述充电单元有连接关系的内管关断，为所述悬浮电容充电；

控制与所述充电单元有连接关系的内管和外管均关断，使所述悬浮电容和所述充电单元均不充放电；

控制与所述充电单元有连接关系的外管关断、与所述充电单元有连接关系的内管导通，为所述悬浮电容放电。

可选的，若所述三电平Buck电路包括限流单元，则在所述控制所述三电平Buck电路接入输入电压源之后，还包括：

控制所述限流单元的第一开关闭合；

在悬浮电容的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值时，先控制所述限流单元的第二开关闭合，再执行所述控制所述三电平Buck电路中与充电单元有连接关系的内管和外管交错导通的步骤。

可选的，若与所述充电单元无连接关系的内管和外管分别为逆导型晶体管，则控制三电平Buck电路中与充电单元有连接关系的内管和外管交错导通的同时，还包括：

控制所述三电平Buck电路中的两个内管互补导通、两个外管互补导通。

从上述技术方案可知，本发明提供的三电平Buck电路，其特征在于，包括：输入电容、输出电容和至少一个桥臂，桥臂包括：充电单元、悬浮电容、两个内管、两个外管和电感；其中：悬浮电容与两个内管的串联支路并联连接，两个内管之间的连接点与电感的一端相连，电感的另一端与低压侧正负极中的一极相连，一个外管的另一端与低压侧正负极中的另一极以及高压侧正负极中相同极性的一极相连，另外一个外管用于连接高压侧正负极中的另一极，并与充电单元并联连接，在三电平Buck电路接入电源时，原本会加在与低压侧无连接关系的外管两端的输入电压中的大部分电压，将通过充电单元与悬浮电容分压而大大降低，从而避免该外管过压损坏；同时，通过充电单元为悬浮电容进行预充电，还可避免因导通该外管为悬浮电容充电，而导致另一外管过压损坏的问题，从而提高三电平Buck电路安全性。

附图说明

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是现有技术提供的一种三电平Buck电路的示意图；

图2是现有技术提供的三电平Buck电路中第一外管和第一内管的导通时序图；

图3是本发明实施例提供的一种三电平Buck电路的示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图9是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图10是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图11是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图12是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的示意图；

图13是本发明实施例提供的一种三电平Buck电路的控制方法的流程图；

图14是本发明实施例提供的另一种三电平Buck电路的控制方法的流程图；

图15是现有技术提供的另一种三电平Buck电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，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。

需要说明的是，图1所示的三电平Buck电路，在正常工作时，第一外管K1和第一内管K2交错导通。在理想工况下，第一外管K1及第一内管K2的导通占空比相同，均为D，其导通时序图如图2所示，则：

输出电压Vout与输入电压Vin满足：Vout＝D*Vin。

悬浮电容Cf的两端电压为：

而各个开关管的电压应力如下：

其中，Vf为悬浮电容Cf的电压，Vk1为第一外管K1的电压应力，Vk2为第一内管K2的电压应力，Vk3为第二内管K3的电压应力，Vk4为第二外管K4的电压应力。

从上述各个公式可以发现，在正常工作时，各开关管的电压应力仅是输入电压的一半。然而，在该三电平Buck电路启动时，由于悬浮电容Cf的两端电压Vf为零，各开关管的耐受电压与稳态工作时差异较大，分别为：

Vk1＝Vin-Vf＝Vin

Vk2＝Vf＝0

Vk3＝0

Vk4＝0

此时，若输入电压Vin大于第一外管K1的耐受电压，则会导致第一外管K1过压击穿失效，进而导致该三电平Buck电路失效，因此，该三电平Buck电路在实际使用中限制性条件很大，无法充分发挥三电平Buck电路的优点。

基于此，本发明实施例公开了一种三电平Buck电路，以解决第一外管K1在启动时容易过压击穿，导致第一外管K1失效，进而导致该三电平Buck电路失效的问题。

该三电平Buck电路，参见图3或图4，包括：输入电容Cin、输出电容Co和至少一个桥臂310，桥臂310包括：充电单元311、悬浮电容Cf、两个内管(第一内管K2和第二内管K3)、两个外管(第一外管K1和第二外管K4)和电感L；其中：

输入电容Cin的两端分别作为三电平Buck电路的高压侧正负极。输出电容Co的两端分别作为三电平Buck电路的低压侧正负极。桥臂310内，充电单元311与第一外管K1并联连接。悬浮电容Cf与两个内管(第一内管K2和第二内管K3)的串联支路并联连接，两个内管(第一内管K2和第二内管K3)之间的连接点与电感L的一端相连，电感L的另一端与低压侧正负极中的一极相连。第二外管K4用于分别连接低压侧正负极中的另一极以及高压侧正负极中相同极性的一极。第一外管K1用于连接高压侧正负极中的另一极，并与充电单元311并联连接。

具体的，以图3为例进行说明，其第一外管K1、第一内管K2、第二内管K3以及第二外管K4依次串联。其输入电容Cin与第一外管K1相连的一端作为三电平Buck电路的高压侧正极，其输入电容Cin与第二外管K4相连的一端作为三电平Buck电路的高压侧负极。其输出电容Co与电感L相连的一端作为三电平Buck电路的低压侧正极，其输出电容Co与第二外管K4相连的一端作为三电平Buck电路的低压侧负极。其充电单元311与第一外管K1并联连接。其悬浮电容Cf的一端与第一外管K1和第一内管K2的连接点相连，其悬浮电容Cf的另一端与第二内管K3和第二外管K4的连接点相连。其电感L的另一端与第一内管K2和第二内管K3的连接点相连。

更详细的是，输入电容Cin的一端分别与充电单元311的一端和第一外管K1的一端相连，连接点作为高压侧正极，输入电容Cin的另一端分别与第二外管K4的一端和低压侧负极相连，连接点作为高压侧负极。

第一外管K1的另一端分别与充电单元311的另一端、第一内管K2的一端和悬浮电容Cf的一端相连；第一内管K2的另一端分别与第二内管K3的一端和电感L的一端相连，电感L的另一端与输出电容Co的一端相连，连接点作为低压侧正极，输出电容Co的另一端作为低压侧负极。

第二内管K3的另一端分别与悬浮电容Cf的另一端和第二外管K4的另一端相连。

其中，参见图4，其示出的电路与图3示出的电路为对偶电路，图4示出的电路中各个器件的连接关系与图3示出的电路的各个器件相近，可参见图3的附图说明，在此不再一一赘述；不同的是，输入电容Cin的一端分别与充电单元311的一端和第一外管K1的一端相连，连接点作为高压侧负极，输入电容Cin的另一端分别与第二外管K4的一端和低压侧正极相连，连接点作为高压侧正极，电感L的一端与输出电容Co相连，连接点作为高压侧负极，输出电容Co的另一端作为低压侧正极。

在实际应用中，与充电单元311有连接关系的第一内管K2和第一外管K1分别为逆导型晶体管，且正常工作时处于交错导通状态；与充电单元311无连接关系的第二内管K3和第二外管K4分别为二极管或逆导型晶体管。

在本实施例中，在三电平Buck电路接入电源时，原本会加在第一外管K1两端的输入电压中的大部分电压，将通过充电单元311与悬浮电容Cf进分压而大大降低压，从而避免第一外管K1过压损坏；同时，通过充电单元311为悬浮电容Cf进行预充电，还可避免因导通第一外管K1为悬浮电容Cf充电，而导致第二外管K4过压损坏的问题，从而提高三电平Buck电路安全性，进而实现三电平Buck电路在实际使用中限制性条件较小，充分发挥三电平Buck电路的优点。

值得说明的是，如图15所示的现有技术方案，在悬浮电容Cf的两端设置预充电电路10。在该三电平Buck电路中，在输入电压源接入该三电平Buck电路之前，预充电电路10为悬浮电容Cf充电，在悬浮电容Cf的电压降低时，预充电电路10需要再次为悬浮电容Cf充电，以保证悬浮电容Cf预先留有相应电压，避免第一外管K1过压损坏。具体的，需要额外支路为预充电电路10提供电能，以实现预充电电路10为悬浮电容Cf预充电。在该三电平Buck电路的输入端接入输入电压源之前，需控制该三电平Buck电路开始工作，即控制预充电电路10为悬浮电容Cf充电，操作十分不便。

而本实施例中，无需额外支路，也无需在三电平Buck电路接入电源之前，控制三电平Buck电路开始工作，因而操作十分便捷。

可选的，在本发明实施例图3或图4中涉及的充电单元311，参见图5-8，可以包括：串联连接的平衡电容C1和充电二极管D1。

参见图6或图7，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阳极相连，平衡电容C1的另一端作为充电单元311的输入端，充电二极管D1的阴极作为充电单元311的输出端。

具体的，参见图6，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阳极相连，平衡电容C1的另一端分别与高压侧正极和第一外管K1的一端相连，充电二极管D1的阴极分别与第一外管K1的另一端、悬浮电容Cf的一端和第一内管K2的一端相连；此时，平衡电容C1中与高压侧正极连接的一端作为充电单元311的输入端，充电二极管D1的阴极为充电单元311的输出端。

参见图7，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阳极相连，平衡电容C1的另一端分别与第一外管K1的一端、悬浮电容Cf的一端和第一内管K2的一端相连，充电二极管D1的阴极分别与高压侧负极和第一外管K1的另一端相连，此时，平衡电容C1中与悬浮电容Cf连接的一端作为充电单元311的输入端，充电二极管D1的阴极为充电单元311的输出端。

参见图5或图8，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阴极相连，平衡电容C1的另一端为充电单元311的输出端，充电二极管D1的阳极为充电单元311的输入端。

具体的，参见图5，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阴极相连，平衡电容C1的另一端分别与第一外管K1的一端、第一内管K2的一端和悬浮电容Cf的一端相连，充电二极管D1的阳极分别与高压侧正极和第一外管K1的另一端相连；此时，充电二极管D1的阳极作为充电单元311的输入端，平衡电容C1中与悬浮电容Cf连接的一端作为充电单元311的输出端。

参见图8，平衡电容C1的一端与充电二极管D1的阴极相连，平衡电容C1的另一端分别与高压侧负极和第一外管K1的一端相连，充电二极管D1的阳极分别与第一外管K1的另一端、第一内管K2的一端和悬浮电容Cf的一端相连；此时，充电二极管D1的阳极作为充电单元311的输入端，平衡电容C1中与高压侧负极连接的一端作为充电单元311的输出端。

在本实施例中，通过串联连接的平衡电容C1和充电二极管D1为悬浮电容Cf充电，不但解决了第一外管K1在启动时电压应力过高以及悬浮电容Cf预充电而导致过压损坏的问题；还实现了不增加电路损耗、采样路数和控制复杂度的情况下，加快悬浮电容Cf的充电速度，提高了电路的动态响应。

需要说明的是，上述实施例图5-8中平衡电容C1在下电后无法放电，基于此，在本发明实施图5或7的基础之上，参见图9(在图5的基础之上进行展示)或参见图10(在图7基础之上进行展示)，还可以包括：放电单元312。

放电单元312，用于在三电平Buck电路下电后为平衡电容C1放电。

在实际应用中，放电单元312可以包括：放电二极管D2。

参见图9，三电平Buck电路的低压侧负极与三电平Buck电路的高压侧负极相连，放电二极管D2的阳极与低压侧负极和高压侧负极相连，放电二极管D2的阴极与平衡电容C1充电后的负极相连，即放电二极管D2的阴极与平衡电容C1和充电二极管D1的连接点相连，充电二极管D1的阴极分别与第一外管K1的一端、悬浮电容Cf的一端和第一内管K2的一端相连。

三电平Buck电路上电后，放电二极管D2截止，三电平Buck电路下电后，放电二极管D2导通，放电二极管D2为平衡电容C1放电。

参见图10，三电平Buck电路的低压侧正极与三电平Buck电路的高压侧正极相连，则放电二极管D2的阴极与低压侧正极和高压侧正极相连，放电二极管D2的阳极与平衡电容C1充电后的正极相连，即放电二极管D2的阳极与平衡电容C1和充电二极管D1的连接点相连，充电二极管D1的阳极分别与第一外管K1的一端、悬浮电容Cf的一端和第一内管K2的一端相连。

三电平Buck电路上电后，放电二极管D2截止，当三电平Buck电路下电后，放电二极管D2导通，放电二极管D2为平衡电容C1放电。

平衡电容C1充电后，平衡电容C1的两端分别作为正负极，与高压侧正极较近的一端作为正极，与高压侧负极较近远的一端作为负极。

在本实施例中，当三电平Buck电路下电后，通过放电单元312快速为平衡电容C1放电，避免三电平Buck电路中平衡电容C1长时间带电，造成检修时存在安全隐患的问题。

可选的，在图3-10任意一个的基础之上，参见图11(以在图9的基础之上为例进行展示)，当三电平Buck电路接入的输入电压源为稳定型输入电压源DC时，在稳定型输入电压源DC与输入电容Cin之间，还可以包括：限流单元313。

限流单元313，用于在三电平Buck电路接入输入电压源DC时，限制与充电单元无连接关系的外管(即第二外管K4)的并联寄生电容的充电电流。

在实际应用中，限流单元313包括：第一开关S1、第二开关S2和限流电阻R。

第一开关S1与限流电阻R串联连接，第一开关S1和限流电阻R的串联支路与第二开关S2并联连接。

在稳定型输入电压源DC与输入电容Cin之间接限流电阻R是因为，稳定型输入电压源DC为含电容的电压源时，在稳定型输入电压源DC初始电压很高时，如1500V，此时若不设置限流电阻R，则在三电平Buck电路接入输入电压源的瞬间，稳定型输入电压源DC的电容以极大的充电电流为平衡电容C1、悬浮电容Cf以及第二外管K4两端寄生电容充电，由于平衡电容C1、悬浮电容Cf的容值远大于第二外管K4两端寄生电容，根据容值分压原理，容值越小分压越高；因此，稳定型输入电压源DC的主要电压加在第二外管K4两端，使其过压而损坏。

若设置限流电阻R，则对第二外管K4的充电电流变小，第二外管K4与第二内管K3-电感L-输出电容Co回路为并联关系，输出电容Co的电容极大，一般远大于平衡电容C1、悬浮电容Cf的电容，抑制了第二外管K4两端的电压迅速增加，保证了第二外管K4不会过压损坏。而对于三电平Buck电路接入输入电压源为光伏类输入电压源，限流单元313可省去，采用的其他输出电流有限或输出电压缓慢增加的输入电压源的三电平Buck电路，也均可将限流单元313省去，具体的输入电压源的类型在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

在图3-8、10的基础之增加限流单元313的电路与图11所示的电路相似，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

值得说明的是，可以依据应用环境和用户需求可选择上述任意一个电路或多个电路中的各个部分结合使用，当然也并不仅限于上述示例的电路，能够实现为悬浮电容Cf预充电，以避免第一外管K1过压损坏的其他电路，均在本申请的保护范围内。

可选的，在本发明实施例图3-12中，参见图13(在此以图5为例进行展示)，桥臂310的个数为n，n为大于等于2的正整数，比如3。

n个桥臂310并联，n个桥臂310共用一个输入电容Cin和一个输出电容Co，该三电平Buck电路可以用于并联交错系统；相较于输入输出不共地的拓扑，更易应用于多路交错并联的系统，并且，减少电感L的个数，同时能够节省电感L的体积和成本，该n路并联拓扑在此仅是一种示例，其他并联拓扑也均在本申请的保护范围内。

由于三电平Buck电路的输入端和输出端中的一个有直接电气连接，实现n个桥臂310之间互相独立，通过n个桥臂310之间对应开关管(即第一外管K1、第一内管K2、第二内管K3和第二外管K4)驱动移相，即可实现交错并联。

在本实施例中，保证各桥臂310之间相互独立无耦合，充分利用了三电平Buck电路倍频减小输出电感L感值的优点，同时交错并联结构降低了输入与输出的电流纹波，从而降低输入电容Cin和输出电容Co电流应力，进一步节省成本，提高功率密度。

本发明公开了一种三电平Buck电路的控制方法，应用于三电平Buck电路的控制器，该三电平Buck电路为上述实施例图1-图13任一所述的三电平Buck电路。参见图14，该控制方法包括：

S801、控制三电平Buck电路接入输入电压源；

初始情形下即在接入输入电压源之前，三电平Buck电路中各个器件的电压都为0，当输入电压源接入三电平Buck电路时，此时三电平Buck电路仍处于待机状态，输入电容Cin的电压快速充电至输入电压源的电压，输入电压源通过充电单元311为悬浮电容Cf充电。

为了便于说明，三电平Buck电路中关于各个电容容值的设置可以是C1＝Cf，Co>>C1；其中，C1为平衡电容C1的电容，Cf为悬浮电容Cf的电容，Co为输出电容Co的电容；另外，第一外管K1、第一内管K2、第二内管K3和第二外管K4的寄生电容远小于平衡电容C1的电容，最大输入电压可以为1500V；当然，三电平Buck电路各个器件的电容及最大输入电压的取值可以是其他值，依据实际需求而定即可，均在本申请的保护范围内。

接入输入电压源后，充电单元311的电压与悬浮电容Cf的电压相等；此时，第二外管K4的寄生电容，与第二内管K3的反并联二极管、电感L、输出电容Co这一支路为并联关系。由于输出电容Co存在且其电容远大于充电单元311的电容，根据电容分压原理，第二内管K3与第二外管K4的公共端对输入电压源负极的电压差为零；因此，输入电压主要加在充电单元311与悬浮电容Cf上，即充电单元311与悬浮电容Cf的电压相等且近似等于输入电压的一半，第一外管K1两端的电压被充电单元311钳位，进而第一外管K1的电压等于充电单元311的电压且近似等于输入电压的一半，因此，第一外管K1不会发生过压损坏。

事实上输出电容Co不可能无穷大，因此，在接入输入电压源后，输出电容Co上会有很小的电压，导致充电单元311与悬浮电容Cf上电压略低于Vin/2。此后三电平Buck电路进入工作模式会对充电单元311和悬浮电容Cf进行充电，具体执行过程和原理参见下述描述。

需要说明的是，在三电平Buck电路接入输入电压源之前，三电平Buck电路中的内管和外管均处于关断状态，进而在悬浮电容Cf的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值之前，三电平Buck电路中的内管和外管均保持处于关断状态，即在悬浮电容Cf的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值之前，保持内管和外管均处于关断状态并继续判断悬浮电容Cf的电压与输入电压的一半之间的差值是否下降到小于阈值。

在实际应用中，若三电平Buck电路包括限流单元313，则在步骤S801之后，还可以包括：

控制限流单元313的第一开关S1闭合，以使限流电阻R接入稳压型输入电压源DC与输入电容Cin之间，进一步降低第二外管K4的充电电流。

在悬浮电容Cf的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值时，先控制限流单元313的第二开关S2闭合，以使限流电阻R从稳压型输入电压源DC与输入电容Cin之间分离，避免限流电阻R带来的功率损耗，再执行步骤S802。

S802、在悬浮电容Cf的电压与输入电压的一半之间的差值下降到小于阈值时，控制三电平Buck电路中与充电单元311有连接关系的内管和外管交错导通。

其中，在一个开关周期内，与充电单元311有连接关系的内管和外管的导通占空比可以相等，也可以不相等，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

具体的，与充电单元311有连接关系的内管为第一内管K2，与充电单元311有连接关系的外管为第一外管K1，即第一外管K1和第一内管K2交错导通，假设第一外管K1和第一内管K2导通占空比相同均为D，且0<D<0.5，则第一外管K1和第一内管K2的导通时序图如图2所示：将一个开关周期T分为三个部分，如第一部分为0<t<D*T，第二部分为D*T<t<0.5*T以及0.5*T+D*T<t<T，第三部分为0.5*T<t<0.5*T+D*T；第一外管K1和第一内管K2在这三个部分内交错导通。

在实际应用中，参见图15，步骤S802可以是包括步骤S904至S906三个步骤。

为了便于说明，在此以图5，且第二内管K3和第二外管K4为二极管为例进行说明，图3、4、6-13，以及第二内管K3和第二外管K4为逆导型晶体管的执行过程和原理相同，在此不再一一赘述，三电平Buck电路的工作原理如下：

S901、控制与充电单元311有连接关系的外管导通、与充电单元311有连接关系的内管关断，为三电平Buck电路的悬浮电容Cf充电。

与充电单元311有连接关系的外管为第一外管K1，与充电单元311有连接关系的内管为第一内管K2，即控制第一外管K1导通、第一内管K2关断；此时回路电流走向为：输入电容Cin→第一外管K1→悬浮电容Cf→第二内管K3→电感L→输出电容Co→输入电容Cin，即悬浮电容Cf充电；

S902、控制与充电单元311有连接关系的内管和外管均关断，为悬浮电容Cf和充电单元311充电。

具体的，控制第一外管K1和第一内管K2均关断，此时回路电流走向为：输入电容Cin→充电单元311的充电二极管D1→充电单元311的平衡电容C1→悬浮电容Cf→第二外管K4→输入电容Cin，即充电单元311的平衡电容C1和悬浮电容Cf同时充电；同时电感L→输出电容Co→第二外管K4→第二内管K3→电感L，即电感L电流续流。

S903、控制与充电单元311有连接关系的外管关断、与充电单元311有连接关系的内管导通，为充电单元311充电；

具体的，控制第一外管K1关断、第一内管K2导通；此时回路电流走向为：输入电容Cin→充电单元311的充电二极管D1→充电单元311的平衡电容C1→第一内管K2→电感L→输出电容Co→输入电容Cin，即充电单元311的平衡电容C1充电。

在完成步骤S903之后返回执行步骤S901，即循环执行步骤S901-S903直至悬浮电容Cf的电压上升至等于输入电压的一半。由于一个开关周期T内第一外管K1和第一内管K2的导通时间相同均为D*T，D为导通占空比，充电单元311的平衡电容C1和悬浮电容Cf分压相等，并随工作时间的累积而升高直至输入电压的一半。

由此可以看出在悬浮电容Cf与平衡电容C1电压低于输入电压一半时，在三电平Buck电路工作过程中，只有悬浮电容Cf充电回路而没有悬浮电容Cf放电回路，通过充电单元311加快了三电平Buck电路在动态调节时悬浮电容Cf充电至稳态的速度。

在悬浮电容Cf的电压上升至等于输入电压的一半之后，步骤S802还可以包括循环执行的步骤S904至S906。

需要说明的是，充电单元311的平衡电容C1的电压和悬浮电容Cf的电压上升至输入电压的一半后，第一内管K2导通会使得平衡电容C1的电压大于Vin/2，此时，Vc1+Vf>Vin，Vc1为平衡电容C1的电压，Vf为悬浮电容Cf的电压，Vin为输入电压，因此，充电二极管D1反向截止，为了便于说明，在后续描述中Vc1均为平衡电容C1的电压，Vf均为悬浮电容Cf的电压，Vin均为输入电压，Vout均为输出电压。

S904、控制与充电单元311有连接关系的外管导通、与充电单元311有连接关系的内管关断，为悬浮电容Cf充电。

具体的，控制第一外管K1导通、第一内管K2关断，此时回路电流走向为：输入电容Cin→第一外管K1→悬浮电容Cf→第二内管K3→电感L→输出电容Co→输入电容Cin，即悬浮电容Cf充电，电感L的电压为Vin-Vf-Vout。

S905、控制与充电单元311有连接关系的内管和外管均关断，使悬浮电容Cf和充电单元311均不充放电。

具体的，控制第一外管K1和第一内管K2均关断，此时回路电流走向为：电感L→输出电容Co→第二外管K4→第二内管K3→电感L，即电感L电流续流，平衡电容C1与悬浮电容Cf无充电或放电，其电压保持不变，电感L的电压为-Vout。

S906、控制与充电单元311有连接关系的外管关断、与充电单元311有连接关系的内管导通，为悬浮电容Cf放电。

具体的，控制第一外管K1关断、第一内管K2导通，此时回路电流走向为：悬浮电容Cf→第一内管K2→电感L→输出电容Co→第二外管K4→悬浮电容Cf，即悬浮电容Cf放电，电感L电压为Vf-Vout。

需要说明的是，可以根据电感伏秒平衡原理，得到输出电压；其采用的公式为：(Vin-Vf-Vout)*D*T＝Vout*(0.5-D)*T，计算得到Vout＝D*Vin，在0.5<D<1时，同样可推得此表达式，在此不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。

可见，若三电平Buck电路的参数较为理想，在正常工作时，充电单元311的平衡电容C1不参与三电平Buck电路工作，即无充放电过程，电压保持不变；而悬浮电容Cf在第一外管K1与第一内管K2交错导通期间充放电相等，其平均电压保持为半输入母线电压。

在实际应用中，由于参数差异，悬浮电容Cf电压Vf会稍微偏离半输入母线电压Vin/2；由上述分析可知，仅第一外管K1导通时为悬浮电容Cf充电，仅第一内管K2导通时为悬浮电容Cf放电，若第一外管K1与第一内管K2的导通占空比同为D，则输出电压与输入电压增益固定，此时，在第一外管K1和第一内管K2的导通占空比D上，叠加符号相反的占空比微调量ΔD，即可实现对悬浮电容Cf充放电控制，进而实现悬浮电容Cf的电压控制。

在正常工作时，若输入电压突变时，悬浮电容Cf不处于稳态，则悬浮电容Cf只存在充电回路，悬浮电容Cf快速进入稳态，具体描述参见步骤S901-S903，在此不再赘述。

在本实施例中，在输入电压源的电压突变时也仍快速进入稳态，且未增加电路正常工作复杂性，提高三电平Buck电路的性能。

此外，在本实施例中，若与充电单元311无连接关系的内管和外管分别为MOS(Metal Oxide Semiconductor，场效应晶体)管，则控制三电平Buck电路中的两个内管互补导通、两个外管互补导通，或者，控制与充电单元无连接关系的内管和外管保持关断状态。

具体的，先控制与充电单元311有连接关系的外管和与充电单元311无连接关系的内管均导通，以及，与充电单元311有连接关系的内管与充电单元311无连接关系的外管均关断。即第一外管K1和第二内管K3均导通，第一内管K2和第二外管K4均关断。再控制两个内管和两个外管均关断；即第一外管K1、第一内管K2、第二内管K3和第二外管K4均关断。接着控制与充电单元311有连接关系的外管和与充电单元311无连接关系的内管均关断，以及，与充电单元311有连接关系的内管与充电单元311无连接关系的外管均导通；即第一外管K1和第二内管K3均关断，第一内管K2和第二外管K4均导通。

或者，先控制与充电单元有连接关系的外管导通、两个内管以及与充电单元无连接关系的外管均关断；即第一外管K1导通，第一内管K2、第二内管K3和第二外管K4均关断。再控制两个内管和两个外管均关断，即第一外管K1、第一内管K2、第二内管K3和第二外管K4均关断。接着控制与充电单元有连接关系的内管导通，两个外管和与充电单元无连接关系的内管均关断，即第一内管K2导通，第一外管K1、第二内管K3和第二外管K4均关断。

该三电平Buck电路的结构及原理，参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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发明。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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。