阅读说明：本技术 平衡多电平dc-dc转换器设备 (Balanced multi-level DC-DC converter device ) 是由 J·A·麦克布莱德 S·尤维卡 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种平衡多电平DC-DC转换器设备,包括：包括串联耦接的至少两个电容器的电容器串；包括第一端口和第二端口的开关电路,第一端口具有分别连接到电容器串的第一端部节点和第二端部节点的第一端子和第二端子,第二端口被配置为耦接到储能装置。开关电路被配置为将第二端口的第一端子和第二端子选择性地连接到电容器串的第一端部节点、第二端部节点和至少一个互连节点。所述设备还包括：配置为与开关电路的第二端口和储能装置串联耦接的至少一个电感器；以及配置为将第二端口的第一端子直接连接到第二端口的第二端子的充电开关。所述设备还包括用于从储能装置对电感器进行充电并且从电感器选择性地对电容器进行充电的控制电路。(The invention discloses a balanced multi-level DC-DC converter device, comprising: a capacitor string comprising at least two capacitors coupled in series; a switching circuit including a first port having first and second terminals connected to the first and second end nodes of the capacitor string, respectively, and a second port configured to be coupled to an energy storage device. The switching circuit is configured to selectively connect the first and second terminals of the second port to the first end node, the second end node, and the at least one interconnection node of the capacitor string. The apparatus further comprises: at least one inductor configured to be coupled in series with the second port of the switching circuit and the energy storage device; and a charge switch configured to directly connect the first terminal of the second port to the second terminal of the second port. The apparatus also includes a control circuit for charging the inductor from the energy storage device and selectively charging the capacitor from the inductor.)

平衡多电平DC-DC转换器设备

背景技术

本发明的主题涉及电力设备和方法，并且更具体地讲，涉及DC-DC转换器设备。

多电平转换器用于多种应用，诸如电机驱动器、光伏(PV)逆变器、不间断电源(UPS)系统和其他功率转换应用。多电平转换器可具有若干优点，诸如用于实现转换器的晶体管或其他开关装置的改善的输出质量、降低的电磁干扰(EMI)和降低的额定电压。

在许多系统诸如UPS系统中，用于生成AC输出的多电平逆变器可经由DC-DC转换器连接到DC储能装置诸如电池、超级电容器组、燃料电池等。对于更大的负载密度应用，可并联连接多个多电平逆变器以满足负载需求。在此类并联应用中，通常期望调节连接DC-DC转换器的DC链路上的DC电压，使得它们基本上均匀以降低或消除循环电流。用于均衡DC链路的通用技术是使用平衡电路，该平衡电路平衡逆变器的各个电平上的电压。各种类型的平衡电路的示例在授予Johnson,Jr.的美国专利6,819,576、授予Oughton,Jr.的美国专利申请公布2018/0275699和授予Oughton,Jr.的美国专利申请公布2018/01278074中有所描述。

发明内容

本发明主题的一些实施方案提供了一种设备，所述设备包括：电容器串，所述电容器串包括串联耦接的至少两个电容器；以及开关电路，所述开关电路包括第一端口和第二端口，所述第一端口具有分别连接到所述电容器串的第一节点和第二端部节点的第一端子和第二端子，所述第二端口被配置为耦接到储能装置。所述开关电路被配置为将所述第二端口的第一端子和第二端子选择性地连接到所述电容器串的所述第一端部节点、所述第二端部节点和至少一个互连节点。所述设备还包括：至少一个电感器，所述至少一个电感器被配置为与所述开关电路的所述第二端口和所述储能装置串联耦接；以及充电开关，所述充电开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子直接连接到所述第二端口的所述第二端子。所述设备还包括控制电路，所述控制电路被配置为在第一间隔中闭合所述充电开关以从所述储能装置对所述电感器进行充电并且在第二间隔中选择性地闭合所述开关电路的至少两个开关以从所述被充电的至少一个电感器选择性地对所述电容器串中的所述电容器进行充电。

在一些实施方案中，所述开关电路可包括：至少一个第一开关，所述至少一个第一开关被配置为将所述第一端口的所述第一端子连接到所述第二端口的所述第一端子；至少一个第二开关，所述至少一个第二开关被配置为将所述第一端口的所述第二端子连接到所述第二端口的所述第二端子；以及至少两个第三开关，所述至少两个第三开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子和所述第二端子连接到所述至少一个互连节点。所述控制电路可被配置为在所述第二间隔中选择性地闭合所述至少两个第三开关，以从所述被充电的至少一个电感器选择性地对所述电容器串中的所述电容器进行充电。

在一些实施方案中，所述至少两个第三开关可包括相应开关，所述相应开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子和所述第二端子中的相应端子连接到所述电容器串的中点互连节点。在另外的实施方案中，所述至少两个第三开关可包括：第一多个开关，所述第一多个开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子连接到所述电容器串的第一组互连节点；以及第二多个开关，所述第二多个开关被配置为将所述第二端口的所述第二端子连接到所述电容器串的第二组互连节点。所述第一组互连节点和所述第二组互连节点可各自包括中点互连节点。

根据另外的方面，所述控制电路可被配置为感测所述电容器串中的所述电容器中的所述电容器中的至少一个电容器两端的至少一个电压并且响应于所感测到的至少一个电压而在所述第二间隔中选择性地闭合所述至少两个第三开关。例如，所述控制电路可被配置为响应于所感测到的至少一个电压而在所述第二间隔中选择性地闭合所述至少两个第三开关以平衡所述电容器串中的所述电容器两端的电压。

根据另外的方面，所述至少两个第三开关可包括具有第一额定电压的第一晶体管，并且其中所述充电开关包括具有大于所述第一额定电压的第二额定电压的第二晶体管。所述设备还可包括耦接到所述开关电路的所述第一端口的逆变器。

在本发明主题的另外的实施方案中，设备包括电容器串，所述电容器串包括串联耦接的至少两个电容器。所述设备还包括开关电路，所述开关电路包括第一端口和第二端口，所述第一端口具有连接到所述电容器串的相应第一端部节点和第二端部节点的第一端子和第二端子，所述第二端口被配置为耦接到储能装置。所述开关电路还包括：至少一个第一开关，所述至少一个第一开关被配置为将所述第一端口的所述第一端子连接到所述第二端口的第一端子；至少一个第二开关，所述至少一个第二开关被配置为将所述第一端口的所述第二端子连接到所述第二端口的第二端子；至少一个第三开关，所述至少一个第三开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子连接到所述电容器串的第一互连节点；至少一个第四开关，所述至少一个第四开关被配置为将所述第二端口的所述第二端子连接到所述电容器串的第二互连节点；至少一个第五开关，所述至少一个第五开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子连接到所述电容器串的中点互连节点；以及至少一个第六开关，所述至少一个第六开关被配置为将所述第二端口的所述第二端子连接到所述中点互连节点。所述设备还包括：至少一个电感器，所述至少一个电感器被配置为与所述开关电路的所述第二端口和所述储能装置串联耦接；以及控制电路，所述控制电路被配置为使所述开关电路在第一间隔中对所述至少一个电感器进行充电并且在第二间隔中选择性地闭合所述至少一个第三开关、所述至少一个第四开关、所述至少一个第五开关和所述至少一个第六开关以从所述被充电的至少一个电感器选择性地对所述电容器串中的所述电容器进行充电。

在一些实施方案中，所述控制电路可被配置为闭合所述至少一个第三开关和所述至少一个第四开关以对所述电容器串中的内部电容器进行充电、闭合所述至少一个第五开关以对所述电容器串中的第一外部电容器进行充电，以及闭合所述至少一个第六开关以对所述电容器串中的第二外部电容器进行充电。在一些实施方案中，所述控制电路可被配置为在所述第一间隔中闭合所述至少一个第五开关和所述至少一个第六开关以对所述至少一个电感器进行充电。在另外的实施方案中，所述开关电路还可包括至少一个第七开关，所述至少一个第七开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子直接连接到所述第二端口的所述第二端子，并且所述控制电路可被配置为在所述第一间隔中闭合所述至少一个第七开关以对所述至少一个电感器进行充电。

更进一步的实施方案提供了一种设备，所述设备包括：电容器串，所述电容器串包括串联耦接的至少两个电容器；以及开关电路，所述开关电路包括第一端口和第二端口，所述第一端口具有连接到所述电容器串的相应第一端部节点和第二端部节点的第一端子和第二端子，所述第二端口被配置为耦接到储能装置。所述开关电路可包括：至少一个第一开关，所述至少一个第一开关被配置为将所述第一端口的所述第一端子连接到所述第二端口的第一端子；至少一个第二开关，所述至少一个第二开关被配置为将所述第一端口的所述第二端子连接到所述第二端口的第二端子；至少一个第三开关，所述至少一个第三开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子连接到所述电容器串的第一互连节点；至少一个第四开关，所述至少一个第四开关被配置为将所述第二端口的所述第二端子连接到所述电容器串的第二互连节点；至少一个第五开关，所述至少一个第五开关被配置为将所述至少一个第三开关连接到所述电容器串的中点互连节点；以及至少一个第六开关，所述至少一个第六开关被配置为将所述至少一个第四开关连接到所述中点互连节点。所述设备还包括至少一个电感器，所述至少一个电感器被配置为与所述开关电路的所述第二端口和所述储能装置串联耦接；以及控制电路，所述控制电路被配置为使所述开关电路在第一间隔中对所述电感器进行充电并且在第二间隔中选择性地闭合所述至少一个第三开关、所述至少一个第四开关、所述至少一个第五开关和所述至少一个第六开关以从所述被充电的至少一个电感器选择性地对所述电容器串中的所述电容器进行充电。

在一些实施方案中，所述至少一个第三开关可被配置为经由第一二极管将所述第二端口的所述第一端子连接到所述第一互连节点，并且所述至少一个第四开关可被配置为经由第二二极管将所述第二端口的所述第二端子连接到所述第二互连节点。所述控制电路可被配置为在所述第一间隔中闭合所述至少一个第三开关、所述至少一个第四开关、所述至少一个第五开关和所述至少一个第六开关以对所述至少一个电感器进行充电。在另外的实施方案中，所述开关电路可包括至少一个第七开关，所述至少一个第七开关被配置为将所述第二端口的所述第一端子直接连接到所述第二端口的所述第二端子，并且所述控制电路可被配置为在所述第一间隔中闭合所述至少一个第七开关以对所述至少一个电感器进行充电。

附图说明

图1-图3示出了根据一些实施方案的3电平DC-DC转换器设备及其操作。

图4-图6示出了根据另外的实施方案的5电平DC-DC转换器设备及其操作。

图7-图9示出了根据附加实施方案的5电平DC-DC转换器设备及其操作。

图10-图12示出了根据另外的实施方案的5电平DC-DC转换器设备及其操作。

图13-图15示出了根据更进一步的实施方案的5电平DC-DC转换器设备及其操作。

图16-图18示出了根据一些实施方案的5电平DC-DC转换器。

图19示出了根据一些实施方案的不间断电源(UPS)系统。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施方案。然而，本发明主题可具体体现为许多不同形式，并且不应理解为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明主题的范围。在附图中，类似的标号表示类似的项目。应当理解，当项目被称为“连接”或“耦接”到另一个项目时，该项目可以直接连接或直接耦接到另一个项目，或者可存在居间项目。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何组合和所有组合。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案，而并非旨在限制本发明主题。除非另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组合。

除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，术语诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地定义，否则将不在理想化或过于形式化的意义上进行解释。

本发明主题的一些实施方案可在使用多电平逆变器的应用(诸如UPS应用)中提供改善的DC链路平衡。在一些实施方案中，可由多电平DC-DC转换器提供改善的链路平衡，该转换器包括开关电路，该开关电路可被操作以提供对DC链路电容器的选择性充电，以用于平衡DC链路电压的目的。

图1示出了根据一些实施方案的三电平DC-DC转换器设备100。设备100包括串联连接的第一电容器C1和第二电容器C2串。开关电路110具有第一端口111，该第一端口具有耦接到电容器C1、C2串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N3的第一端子111a和第二端子111b。开关电路110的第二端口112被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路110包括多个开关，该多个开关在此处被示出为具有相关联的第一至第七并联连接的二极管D1-D5的第一至第七绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q1-Q5。晶体管Q1-Q5被配置为将第二端口112的第一端子112a和第二端子112b选择性地耦接到电容器C1、C2串的端部节点N1、N3以及中点互连节点N2。具体地讲，第一晶体管Q1被配置为将第一端口111的第一端子111a连接到第二端口112的第一端子112a。第二晶体管Q2被配置为将第二端口112的第一端子112a连接到第二端口112的第二端子112b。第三晶体管Q3被配置为将第一端口111的第二端子111b连接到第二端口的第二端子112b。第四晶体管Q4被配置为将第二端口112的第一端子112a连接到中点互连节点N2。第五晶体管Q5被配置为将第二端口112的第二端子112b连接到中点互连节点N2。控制电路120响应于电容器C1、C2中的相应电容器两端的电压v₁、v₂来控制晶体管Q1-Q5。

图2和图3示出了根据一些实施方案的图1的转换器设备100的操作。在升压模式中，设备110通过对电感器L1、L2充电并选择性地将电感器L1、L2放电到第一电容器C1和第二电容器C2中以调节电容器电压v₁、v₂来从电池10传输功率。在第一间隔中，控制电路120导通(闭合)第二晶体管Q2，而第一晶体管Q1、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和第五晶体管Q5断开。这使得第一电流101流过第一电感器L1和第二电感器L2，从而对电感器L1、L2进行充电。

在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，在第二晶体管Q2被关断之后，可选择性地导通第四晶体管Q4和第五晶体管Q5以提供附加电流，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。当电容器电压v₁、v₂处于期望的电平(在这种情况下，基本上相同)时，第一电容器C1和第二电容器C2可同时由通过第一二极管D1和第三二极管D3的第二电流102进行充电。然而，如果第一电容器C1两端的电压v₁低于第二电容器C2两端的电压v₂(例如，由于不平衡或半波整流负载)，则可通过导通第五晶体管Q5以启用使对第一电容器C1充电多于第二电容器C2的附加第三电流103来选择性地(优先地)对第一电容器C1进行充电。类似地，如果第二电容器C2两端的电压v₂低于第一电容器C1两端的电压v₁，则可通过导通第四晶体管Q4以启用使对第二电容器C2充电多于第一电容器C1的附加第四电流104来选择性地对第二电容器C2进行充电。

参见图3，在将功率传输到电池10的降压模式的第一间隔中，可导通第一晶体管Q1和第三晶体管Q3以提供对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第五电流105。在第二间隔中，来自电感器L1、L2的放电的第六电流106自由通过第二二极管D2，从而对电池10进行充电。

根据另外的方面，设备100的配置允许在晶体管Q1-Q5之间使用不同的额定电压。具体地讲，第四晶体管Q4和第五晶体管Q5可具有低于第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的额定电压。

在5电平逆变器应用中，DC链路可能具有失衡的趋势。可能发生不同类型的失衡，包括“正”电容器和“负”电容器的失衡，这可能在将半波整流负载施加到逆变器时发生。另一种类型的失衡是内部电容器相对于外部电容器的失衡，这可能由于逆变器上的高波峰因数负载而发生。

图4示出了根据另外的实施方案的五级DC-DC转换器设备400，该设备可用于为此类应用提供链路平衡。设备400包括串联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4串。开关电路410具有第一端口411，该第一端口具有耦接到电容器C1-C4串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N5的第一端子411a和第二端子411b。开关电路410的第二端口412被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路410包括多个开关，该多个开关在此处被示出为包括具有相关联的第一至第七并联连接的二极管D1-D7的第一至第七IGBT Q1-Q7。第一晶体管Q1被配置为将第一端口411的第一端子411a连接到第二端口412的第一端子412a。第二晶体管Q2被配置为将第二端口412的第一端子412a连接到第二端口412的第二端子412b。第三晶体管Q3被配置为将第一端口411的第二端子411b连接到第二端口412的第二端子412b。第四晶体管Q4和第五晶体管Q5充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口412的第一端子412a连接到互连节点N2。第六晶体管Q5和第七晶体管Q7充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口412的第二端子412b连接到中点互连节点N4。控制电路420响应于第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v来控制晶体管Q1-Q7。第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7可具有低于第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的额定电压。

图5和图6示出了根据一些实施方案的用于平衡电容器电压的图4的转换器设备400的操作。在升压模式的第一间隔中，控制电路120导通第二晶体管Q2以使第一电流401流过第一电感器L1和第二电感器L2，从而对电感器L1、L2进行充电。在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，第二晶体管Q2断开，并且可选择性地导通第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对电容器C1-C4进行充电。当电压v₁、v₂、v₃处于期望的相对电平时(例如，使得电容器C1-C4两端的相应电压基本上相同)，电容器C1-C4可同时由穿过第一二极管D1和第三二极管D3的第二电流402进行充电，其中所有晶体管Q1-Q7都断开。为了使内部电容器电压v₂升压，可通过导通第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7来选择性地对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电，以引起第三电流403使第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v₂升压。在图6所示的降压模式的第一间隔中，第一晶体管Q1和第三晶体管Q3导通以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第四电流404。在第二间隔中，晶体管Q1-Q7被关断并且第五电流405自由通过第二二极管D2，从而对电池10进行充电。

图7示出根据另外的实施方案的五电平DC-DC转换器设备700，该设备可提供增强的平衡能力。设备500包括串联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4串。开关电路710具有第一端口711，该第一端口具有耦接到电容器C1-C4串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N5的第一端子711a和第二端子711b。开关电路710的第二端口712被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路710包括多个开关，该多个开关在此处被示出为包括第一至第七绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q1-Q7和相关联的第一至第七并联连接的二极管D1-D7，以及附加的第八二极管D8和第九二极管D9。第一晶体管Q1被配置为将第一端口711的第一端子711a连接到第二端口712的第一端子712a。第二晶体管Q2被配置为将第二端口712的第一端子712a连接到第二端口712的第二端子712b。第三晶体管Q3被配置为将第一端口711的第二端子711b连接到第二端口712的第二端子712b。第四晶体管Q4被配置为经由第八二极管D8将第二端口712的第一端子712a耦接到第一互连节点N2。第五晶体管Q5被配置为将第四晶体管Q4的发射极端子连接到中点互连节点N3。第七晶体管Q7被配置为将第二端口712的第二端子712b连接到互连节点N4。第六晶体管Q6被配置为将第七晶体管Q7的集电极端子连接到中点互连节点N3。控制电路720响应于第一电容器C1和第二电容器C2两端的电压v₁、第三电容器C3和第四电容器C4两端的电压v₂，以及第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v₃来控制晶体管Q1-Q7。在设备700中，第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7可具有低于第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的额定电压。

图8和图9示出了根据一些实施方案的转换器设备700的操作。在升压模式的第一间隔中，控制电路720导通第二晶体管Q2以传导流过第一电感器L1和第二电感器L2的第一电流701，从而对电感器L1、L2进行充电。在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，第二晶体管Q2被关断，并且可选择性地导通第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对电容器C1-C4进行充电。当所有电容器C1-C4两端的电压v₁、v₂、v₃处于期望的相对水平时(例如，使得电容器C1-C4两端的相应电压基本上相同)，电容器C1-C4可同时由穿过第一二极管D1和第三二极管D3的第二电流702进行充电。如果电压v₃为低，则可通过导通第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6和第七晶体管Q7以传导对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电的第三电流703，来对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电。如果电压v₁为低，则可通过导通第六晶体管Q6和第七晶体管Q7以传导对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电的第四电流704，来对这些第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。类似地，如果电压v₂为低，则可通过导通第四晶体管Q4和第五晶体管Q5以传导第五电流705，来对第三电容器C3和第四电容器C4进行充电。参见图9，在降压模式的第一间隔中，设备700导通第一晶体管Q1和第三晶体管Q3以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第六电流706。在之后的第二间隔中，这些晶体管被关断并且第七电流707自由通过第二二极管D2，从而对电池10进行充电。

图10示出了根据另外的实施方案的五电平DC-DC转换器设备1000。设备1000包括串联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4串。开关电路1010具有第一端口1011，该第一端口具有耦接到电容器C1-C4串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N5的第一端子1011a和第二端子1011b。开关电路1010的第二端口1012被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路1010包括多个开关，该多个开关在此处被示出为包括具有相关联的第一至第八并联连接的二极管D1-D8的第一至第八IGBT Q1-Q8。第一晶体管Q1被配置为将第一端口1011的第一端子1011a连接到第二端口1012的第一端子1012a。第二晶体管Q2被配置为将第二端口1012的第一端子1012a连接到中点互连节点N3。第三晶体管Q3被配置为将第二端口1012的第二端子1012b连接到中点互连节点N3。第四晶体管Q4被配置成将第一端口1011的第二端子1011b连接到第二端口1012的第二端子1012b。第五晶体管Q5和第六晶体管Q6充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口1012的第一端子1012a连接到互连节点N2。第七晶体管Q7和第八晶体管Q8充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口的第二端子1012b连接到互连节点N4。控制电路1020响应于第一电容器C1和第二电容器C2两端的电压v₁、第三电容器C3和第四电容器C4两端的电压v₂，以及第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v₃来控制晶体管Q1-Q7。在设备1000中，第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8可具有低于第一晶体管Q1和第四晶体管Q4的额定电压。

图11和图12示出了根据一些实施方案的转换器设备1000的操作。在升压模式的第一间隔中，控制电路1020导通第二晶体管Q2和第三晶体管Q3以传导第一电流1001通过第一电感器L1和第二电感器L2，从而对电感器L1、L2进行充电。在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，可选择性地导通第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对电容器C1-C4进行充电。当所有电容器C1-C4两端的电压v₁、v₂、v₃处于期望的相对水平时(例如，使得电容器C1-C4中的每一者两端的电压基本上相同)，电容器C1-C4可同时由穿过第一二极管D1和第四二极管D4的第二电流1002进行充电。如果电压v₃需要升压，则可通过导通第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8以传导第三电流1003来对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电。如果电压v₁需要升压，则可通过导通第三晶体管Q3以传导第四电流1004来对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。类似地，如果电压v₂需要升压，则可通过导通第二晶体管Q2以传导第五电流1005来对第三电容器C3和第四电容器C4进行充电。参见图12，在降压模式的第一间隔中，设备1000导通第一晶体管Q1和第四晶体管Q4以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第六电流1006，然后这些晶体管被关断并且第七电流1007自由通过第二二极管D2和第三二极管D3，从而对电池10进行充电。

图13示出了根据更进一步的实施方案的五电平DC-DC转换器设备1300。设备500包括串联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4串。开关电路1310具有第一端口1311，该第一端口具有耦接到电容器C1-C4串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N5的第一端子1311a和第二端子1311b。开关电路1310的第二端口1312被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路1310包括多个开关，该多个开关在此处被示出为包括具有相关联的第一至第六并联连接的二极管D1-D6的第一至第六IGBT Q1-Q6，以及附加的第七二极管D7和第八二极管D8。第一晶体管Q1被配置为将第一端口1311的第一端子1311a连接到第二端口1312的第一端子1312a。第六晶体管Q6被配置为将第一端口1311的第二端子1311b连接到第二端口1312的第二端子1312b。第二晶体管Q2被配置为经由第七二极管D7将第二端口1312的第一端子1312a耦接到第一互连节点N2。第三晶体管Q3被配置为将第二晶体管Q2的发射极端子连接到中点互连节点N3。第五晶体管Q5被配置为经由第八二极管D8将第二端口1312的第二端子1312b连接到互连节点N4。第四晶体管Q4被配置为将第五晶体管Q5的集电极端子连接到中点互连节点N3。控制电路1320响应于第一电容器C1和第二电容器C2两端的电压v₁、第三电容器C3和第四电容器C4两端的电压v₂，以及第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v₃来控制晶体管Q1-Q6。在设备1300中，第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和第五晶体管Q5可具有低于第一晶体管Q1和第六晶体管Q6的额定电压。

图14和图15示出了根据一些实施方案的转换器设备1300的操作。在升压模式的第一间隔中，控制电路1320导通第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和第五晶体管Q5以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第一电流1301。在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，可选择性地导通晶体管Q1-Q6，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对电容器C1-C4进行充电。当所有电容器C1-C4两端的电压v₁、v₂、v₃处于期望的相对水平时(例如，使得电容器C1-C4中的每一者两端的电压基本上相同)，电容器C1-C4可同时由穿过第一二极管D1和第六二极管D6的第二电流1302进行充电。如果电压v₃需要升压，则可通过导通第二晶体管Q2和第五晶体管Q5以传导第三电流1303来对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电。如果电压v₁需要升压，则可通过导通第四晶体管Q4和第五晶体管Q5以传导第四电流1304来对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。类似地，如果电压v₂需要升压，则可通过导通第二晶体管Q2和第三晶体管Q3以传导第五电流1305来对第三电容器C3和第四电容器C4进行充电。参见图15，在降压模式的第一间隔中，设备1300导通第一晶体管Q1和第六晶体管Q6以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第六电流1306。在之后的第二间隔中，晶体管Q1-Q6被关断，并且第七电流1307自由通过第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5以对电池10进行充电。

图16示出了根据另外的实施方案的五电平DC-DC转换器设备1600。设备1600包括串联连接的第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4串。开关电路1610具有第一端口1611，该第一端口具有耦接到电容器C1-C4串的相应第一端部节点N1和第二端部节点N5的第一端子1611a和第二端子1611b。开关电路1610的第二端口1612被配置为与第一电感器L1和第二电感器L2以及储能装置串联耦接，该储能装置在此处被示出为电池10。

开关电路1610包括多个开关，该多个开关在此处被示出为包括具有相关联的第一至第九并联连接的二极管D1-D9的第一至第九IGBT Q1-Q8。第一晶体管Q1被配置为将第一端口1611的第一端子1611a连接到第二端口1612的第一端子1612a。第二晶体管Q2被配置为将第二端口1612的第一端子1612a连接到中点互连节点N3。第三晶体管Q3被配置为将第二端口1612的第二端子1612b连接到中点互连节点N3。第四晶体管Q4被配置为将第一端口1611的第二端子1611b连接到第二端口1612的第二端子1612b。第五晶体管Q5和第六晶体管Q6充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口1612的第一端子1612a连接到互连节点N2。第七晶体管Q7和第八晶体管Q8充当双向开关，该双向开关被配置为将第二端口的第二端子1612b连接到互连节点N4。第九晶体管Q9将第二端口1612的第一端子1612a直接连接到第二端口1612的第二端子1612b。控制电路1620响应于第一电容器C1和第二电容器C2两端的电压v₁、第三电容器C3和第四电容器C4两端的电压v₂，以及第二电容器C2和第三电容器C3两端的电压v₃来控制晶体管Q1-Q9。在设备1600中，第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8可具有低于第一晶体管Q1、第四晶体管Q4和第九晶体管Q9的额定电压。

图17和图18示出了根据一些实施方案的转换器设备1600的操作。在升压模式的第一间隔中，控制电路1620导通第九晶体管Q9以传导第一电流1601通过第一电感器L1和第二电感器L2，从而对电感器L1、L2进行充电。在第一间隔中的相应间隔之后的第二间隔中，可选择性地导通第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8，以从被充电的第一电感器L1和第二电感器L2选择性地对电容器C1-C4进行充电。当所有电容器C1-C4两端的电压v₁、v₂、v₃平衡时，电容器C1-C4可同时由穿过第一二极管D1和第四二极管D4的第二电流1602进行充电。如果电压v₃需要升压，则可通过导通第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7和第八晶体管Q8以传导第三电流1603来对第二电容器C2和第三电容器C3进行充电。如果电压v₁需要升压，则可通过导通第三晶体管Q3以传导第四电流1604来对第一电容器C1和第二电容器C2进行充电。类似地，如果电压v₂需要升压，则可通过导通第二晶体管Q2以传导第五电流1605来对第三电容器C3和第四电容器C4进行充电。参见图12，在降压模式的第一间隔中，设备1600导通第一晶体管Q1和第四晶体管Q4以传导对第一电感器L1和第二电感器L2进行充电的第六电流1606，然后这些晶体管被关断并且第七电流1607自由通过第九二极管D9，从而对电池10进行充电。

如上所述，根据一些实施方案的DC-DC转换器设备可有利地用于并联多电平逆变器应用中。例如，在图19所示的示例应用中，并联连接的UPS1900可各自包括共同连接到负载20的多电平逆变器1920。沿上述线路的相应平衡多电平DC-DC转换器1910可将多电平逆变器1920耦接到相应DC源10，诸如电池、电容器组和/或燃料电池。此类布置可用于降低或消除UPS 1900之间的循环电流，因为平衡多电平DC-DC转换器1910可均衡施加到多电平逆变器1920的DC电压。类似的布置可用于其他逆变器并联应用，诸如在并网储能应用、电机驱动器等中。

在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施方案。尽管采用了具体术语，但是这些术语仅按一般和描述性意义使用，而非用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。