多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法

申请号 CN202211401242.2 申请日 2022-11-09 公开(公告)号 CN118017828A 公开(公告)日 2024-05-10
申请人 台达电子企业管理(上海)有限公司; 发明人 王艺潮; 胡玉华; 董慨; 章进法;
摘要 本公开提供一种多电平转换 电路 及其飞跨电容 电压 的控制方法,在多电平AC‑DC转换电路中,所有第一 开关 串联 于电感与负输出端之间,所有第二开关串联于电感与正输出端之间。任一飞跨电容跨接于所连接的第一开关的公共连接点与所连接的第二开关的公共连接点之间。当转换电路工作于DCM时,控制方法包含步骤:(a)决定第一开关及第二开关中的主开关及同步整流开关;(b)获得每一飞跨电容对应的调整值;以及(c)依据所连接的飞跨电容对应的调整值调整主开关的占空比,其中主开关的占空比在D
权利要求

1.一种飞跨电容电压的控制方法,适用于一多电平DC‑DC转换电路,其中该多电平DC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数,该多电平DC‑DC转换电路包含一正输入端、一负输入端、一电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容、一正输出端及一负输出端,该正输入端及该负输入端架构于接收一输入电压,该正输出端及该负输出端架构于提供一输出电压,该电感的第一端电连接于该正输入端,该N‑1个第一开关串联连接于该电感的第二端与该负输出端之间,第1个该第一开关及第N‑1个该第一开关分别耦接于该电感的该第二端及该负输出端,该N‑1个第二开关串联连接于该电感的该第二端与该正输出端之间,第1个该第二开关及第N‑1个该第二开关分别耦接于该电感的该第二端及该正输出端,第k个该飞跨电容跨接于第k个该第一开关及第k+1个该第一开关的公共连接点与第k个该第二开关及第k+1个该第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数,该负输出端电连接于该负输入端,当该多电平DC‑DC转换电路工作于DCM时,该控制方法包含步骤:
(a)将该N‑1个第一开关作为主开关,以及将该N‑1个第二开关作为同步整流开关;
(b)依据每一该飞跨电容两端的一实际电压及一参考电压,获得每一该飞跨电容对应的一调整值;以及
(c)依据第k个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第k个该主开关的占空比,依据第N‑1个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第N‑1个该主开关的占空比,其中,对于任一该主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)2.如权利要求1所述的控制方法,其中于该步骤(c)中,在D<(N‑2)/(N‑1)时,D′k=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)
而在(N‑2)/(N‑1)D′k=Dk‑(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1‑(Δdk‑Δdk+1)
其中,Dk和D′k分别为调整前后的第k个该主开关的该占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个该主开关的该占空比,Dk=Dk+1=D,Δdk‑1、Δdk和Δdk+1分别为第k‑1个、第k个及第k+1个该飞跨电容对应的该调整值,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
3.如权利要求1所述的控制方法,其中该飞跨电容对应的该调整值的绝对值小于等于|D‑Dccm|,其中Dccm=1‑(Vin/Vo),Vin为该输入电压,Vo为该输出电压。
4.如权利要求3所述的控制方法,其中若第k个该飞跨电容对应的该调整值的绝对值大于|D‑Dccm|,则该控制方法还包含:(d)调整第k个该主开关及第k+1个该主开关之间的移相,以使流经该电感的电流降低到零。
5.一种多电平DC‑DC转换电路,其中该多电平DC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数,该多电平DC‑DC转换电路包含:
一正输入端及一负输入端,架构于接收一输入电压;
一正输出端及一负输出端,架构于提供一输出电压,其中该负输出端电连接于该负输入端;
一电感,其第一端电连接于该正输入端;
N‑1个第一开关,串联连接于该电感的第二端与该负输出端之间,其中第1个该第一开关及第N‑1个该第一开关分别耦接于该电感的该第二端及该负输出端;
N‑1个第二开关,串联连接于该电感的该第二端与该正输出端之间,其中第1个该第二开关及第N‑1个该第二开关分别耦接于该电感的该第二端及该正输出端;
N‑2个飞跨电容,其中第k个该飞跨电容跨接于第k个该第一开关及第k+1个该第一开关间的公共连接点与第k个该第二开关及第k+1个该第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数;以及
一控制单元,架构于在该多电平DC‑DC转换电路工作于DCM时:
将该N‑1个第一开关作为主开关,以及将该N‑1个第二开关作为同步整流开关;
依据每一该飞跨电容两端的一实际电压及一参考电压,获得每一该飞跨电容对应的一调整值;以及
依据第k个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第k个该主开关的占空比,依据第N‑1个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第N‑1个该主开关的占空比,其中,对于任一该主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)<D≤1时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第二调整量,该第一调整量与该第二调整量的乘积为负值,D为调整前的该N‑1个主开关的该占空比。
6.如权利要求5所述的多电平DC‑DC转换电路,其中当该控制单元调整该主开关的该占空比,在D<(N‑2)/(N‑1)时,
D′k=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)
而在(N‑2)/(N‑1)<D≤1时,
D′k=Dk‑(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1‑(Δdk‑Δdk+1)
其中,Dk和D′k分别为调整前后的第k个该主开关的该占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个该主开关的该占空比,Dk=Dk+1=D,Δdk‑1、Δdk和Δdk+1分别为第k‑1个、第k个及第k+1个该飞跨电容对应的该调整值,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
7.如权利要求5所述的多电平DC‑DC转换电路,其中该飞跨电容对应的该调整值的绝对值小于等于|D‑Dccm|,其中Dccm=1‑(Vin/Vo),Vin为该输入电压,Vo为该输出电压。
8.如权利要求7所述的多电平DC‑DC转换电路,其中若第k个该飞跨电容对应的该调整值的绝对值大于|D‑Dccm|,则该控制单元还架构于调整第k个该主开关及第k+1个该主开关之间的移相角,以使流经该电感的电流降低到零。
9.一种飞跨电容电压的控制方法,适用于一多电平AC‑DC转换电路,其中该多电平AC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数,该多电平AC‑DC转换电路包含一第一输入端、一第二输入端、一电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容、一第一输出端、一第二输出端、一第一输入开关及一第二输入开关,该第一输入端及该第二输入端架构于接收一输入电压,该第一输出端及该第二输出端架构于提供一输出电压,该电感的第一端电连接于该第二输入端,该N‑1个第一开关串联连接于该电感的第二端与该第二输出端之间,第1个该第一开关及第N‑1个该第一开关分别耦接于该电感的该第二端及该第二输出端,该N‑1个第二开关串联连接于该电感的该第二端与该第一输出端之间,第1个该第二开关及第N‑1个该第二开关分别耦接于该电感的该第二端及该第一输出端,第k个该飞跨电容跨接于第k个该第一开关及第k+1个该第一开关的公共连接点与第k个该第二开关及第k+1个该第二开关间的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数,该第一输入开关耦接于该第一输入端与该第一输出端之间,该第二输入开关耦接于该第一输入端与该第二输出端之间,该第一输入开关及该第二输入开关被配置为互补导通,当该多电平AC‑DC转换电路工作于DCM时,该控制方法包含步骤:
(a)当该第一输入端的电位低于该第二输入端的电位时,将该N‑1个第一开关及该N‑1个第二开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关,当该第一输入端的该电位高于该第二输入端的该电位时,将该N‑1个第二开关及该N‑1个第一开关分别作为该N‑1个主开关及该N‑1个同步整流开关;
(b)依据每一该飞跨电容两端的一实际电压及一参考电压,获得每一该飞跨电容对应的一调整值;以及
(c)依据第k个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第k个该主开关的占空比,依据第N‑1个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第N‑1个该主开关的占空比,其中,对于任一该主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)<D≤1时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第二调整量,该第一调整量与该第二调整量的乘积为负值,D为调整前的该N‑1个主开关的该占空比。
10.如权利要求9所述的控制方法,其中于该步骤(c)中,在D<(N‑2)/(N‑1)时,D′k=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)
而在(N‑2)/(N‑1)<D≤1时,
D′k=Dk‑(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1‑(Δdk‑Δdk+1)
其中,Dk和D′k分别为调整前后的第k个该主开关的该占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个该主开关的该占空比,Dk=Dk+1=D,Δdk‑1、Δdk和Δdk+1分别为第k‑1个、第k个及第k+1个该飞跨电容对应的该调整值,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
11.如权利要求9所述的控制方法,其中该飞跨电容对应的该调整值的绝对值小于等于|D‑Dccm|,其中Dccm=1‑(Vin/Vo),Vin为该输入电压,Vo为该输出电压。
12.如权利要求11所述的控制方法,其中若第k个该飞跨电容对应的该调整值的绝对值大于|D‑Dccm|,则该控制方法还包含:(d)调整第k个该主开关及第k+1个该主开关之间的移相角,以使流经该电感的电流降低到零。
13.一种多电平AC‑DC转换电路,其中该多电平AC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数,该多电平AC‑DC转换电路包含:
一第一输入端及一第二输入端,架构于接收一输入电压;
一第一输出端及一第二输出端,架构于提供一输出电压;
一电感,其第一端电连接于该第二输入端;
N‑1个第一开关,串联连接于该电感的第二端与该第二输出端之间,其中第1个该第一开关及第N‑1个该第一开关分别耦接于该电感的该第二端及该第二输出端;
N‑1个第二开关,串联连接于该电感的该第二端与该第一输出端之间,其中第1个该第二开关及第N‑1个该第二开关分别耦接于该电感的该第二端及该第一输出端;
N‑2个飞跨电容,其中第k个该飞跨电容跨接于第k个该第一开关及第k+1个该第一开关的公共连接点与第k个该第二开关及第k+1个该第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数;
一第一输入开关及一第一第二输入开关,其中该第一输入开关耦接于该第一输入端与该第一输出端之间,该第二输入开关耦接于该第一输入端与该第二输出端之间,该第一输入开关及该第二输入开关被配置为互补导通;以及
一控制单元,架构于在该多电平AC‑DC转换电路工作于DCM时:
当该第一输入端的电位低于该第二输入端的电位时,将该N‑1个第一开关及该N‑1个第二开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关,当该第一输入端的该电位高于该第二输入端的该电位时,将该N‑1个第二开关及该N‑1个第一开关分别作为该N‑1个主开关及该N‑1个同步整流开关;
依据每一该飞跨电容两端的一实际电压及一参考电压,获得每一该飞跨电容对应的一调整值;以及
依据第k个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第k个该主开关的占空比,依据第N‑1个该主开关所连接的该飞跨电容对应的该调整值调整第N‑1个该主开关的占空比,其中,对于任一该主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的该占空比相对于调整前的该占空比具有一第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)1个主开关的该占空比。
14.如权利要求13所述的多电平AC‑DC转换电路,其中当该控制单元调整该主开关的该占空比,在D<(N‑2)/(N‑1)时,
D′k=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)
而在(N‑2)/(N‑1)D′k=Dk‑(Δdk‑1‑Δdk)
D′k+1=Dk+1‑(Δdk‑Δdk+1)
其中,Dk和D′k分别为调整前后的第k个该主开关的该占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个该主开关的该占空比,Dk=Dk+1=D,Δdk‑1、Δdk和Δdk+1分别为第k‑1个、第k个及第k+1个该飞跨电容对应的该调整值,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
15.如权利要求13所述的多电平AC‑DC转换电路,其中该飞跨电容对应的该调整值的绝对值小于等于|D‑Dccm|,其中Dccm=1‑(Vin/Vo),Vin为该输入电压,Vo为该输出电压。
16.如权利要求15所述的多电平AC‑DC转换电路,其中若第k个该飞跨电容对应的该调整值的绝对值大于|D‑Dccm|,则该控制单元还架构于调整第k个该主开关及第k+1个该主开关之间的移相角,以使流经该电感的电流降低到零。

说明书全文

多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法

技术领域

[0001] 本公开涉及一种多电平转换电路及其控制方法,特别涉及一种多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法。

背景技术

[0002] 在使用飞跨电容的多电平电路中,需要对飞跨电容上的电压进行稳压控制,否则将影响电路的正常工作状态,严重时甚至会使得开关管过压损坏。
[0003] 于现有技术中,通过检测多电平电路中电流的正负号来决定对飞跨电容电压的调整方向,以确保飞跨电容电压的稳定。然而,在AC‑DC转换的应用场景下,高频开关切换所引起的电流纹波在轻载下会造成电流方向的反复变换,再加上采样误差,将使得控制器容易对当前电流的正负号产生误判,进而影响对飞跨电容电压的平衡控制的可靠性。
[0004] 因此,提供一种可改善上述现有技术的多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法,实为目前迫切的需求。发明内容
[0005] 本公开的目的在于提供一种多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法,能够应用于CCM(continuous conduction mode,连续导通模式)及DCM(discontinuous conduction mode,断续导通模式),其通过控制各开关的占空比及开关之间的移相来平衡飞跨电容电压,且无需对电流的正负号进行判断,故可避免对电流的正负号的误判影响飞跨电容的充放电逻辑,借此提升对飞跨电容电压的平衡控制的可靠性。
[0006] 为达到上述目的,本公开提供一种飞跨电容电压的控制方法,适用于多电平DC‑DC转换电路,其中多电平DC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数。多电平DC‑DC转换电路包含正输入端、负输入端、电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容、正输出端及负输出端。正输入端及负输入端架构于接收输入电压,正输出端及负输出端架构于提供输出电压。电感的第一端电连接于正输入端。N‑1个第一开关串联连接于电感的第二端与负输出端之间,第1个第一开关及第N‑1个第一开关分别耦接于电感的第二端及负输出端。N‑1个第二开关串联连接于电感的第二端与正输出端之间,第1个第二开关及第N‑1个第二开关分别耦接于电感的第二端及正输出端。第k个飞跨电容跨接于第k个第一开关及第k+1个第一开关的公共连接点与第k个第二开关及第k+1个第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数。负输出端电连接于负输入端。当多电平DC‑DC转换电路工作于DCM时,控制方法包含步骤:(a)将N‑1个第一开关作为主开关,以及将N‑1个第二开关作为同步整流开关;(b)依据每一飞跨电容两端的实际电压及参考电压,获得每一飞跨电容对应的调整值;以及(c)依据第k个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关的占空比,依据第N‑1个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关的占空比,其中,对于任一主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)
[0007] 为达到上述目的,本公开另提供一种多电平DC‑DC转换电路,其中多电平DC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数。多电平DC‑DC转换电路包含正输入端、负输入端、正输出端、负输出端、电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容及控制单元。正输入端及负输入端架构于接收输入电压,正输出端及负输出端架构于提供输出电压,其中负输出端电连接于负输入端。电感的第一端电连接于正输入端。N‑1个第一开关串联连接于电感的第二端与负输出端之间,第1个第一开关及第N‑1个第一开关分别耦接于电感的第二端及负输出端。N‑1个第二开关串联连接于电感的第二端与正输出端之间,第1个第二开关及第N‑1个第二开关分别耦接于电感的第二端及正输出端。第k个飞跨电容跨接于第k个第一开关及第k+1个第一开关的公共连接点与第k个第二开关及第k+1个第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数。控制单元架构于在多电平DC‑DC转换电路工作于DCM时:将N‑1个第一开关作为主开关,以及将N‑1个第二开关作为同步整流开关;依据每一飞跨电容两端的实际电压及参考电压,获得每一飞跨电容对应的调整值;以及依据第k个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关的占空比,依据第N‑1个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关的占空比,其中,对于任一主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)1时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第二调整量,第一调整量与第二调整量的乘积为负值,D为调整前的N‑1个主开关的占空比。
[0008] 为达到上述目的,本公开另提供一种飞跨电容电压的控制方法,适用于多电平AC‑DC转换电路,其中多电平AC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数。多电平AC‑DC转换电路包含第一输入端、第二输入端、电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容、第一输出端、第二输出端、第一输入开关及第二输入开关。第一输入端及第二输入端架构于接收输入电压,第一输出端及第二输出端架构于提供输出电压。电感的第一端电连接于第二输入端。N‑1个第一开关串联连接于电感的第二端与第二输出端之间,第1个第一开关及第N‑1个第一开关分别耦接于电感的第二端及第二输出端。N‑1个第二开关串联连接于电感的第二端与第一输出端之间,第1个第二开关及第N‑1个第二开关分别耦接于电感的第二端及第一输出端。第k个飞跨电容跨接于第k个第一开关及第k+1个第一开关的公共连接点与第k个第二开关及第k+1个第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数。第一输入开关耦接于第一输入端与第一输出端之间,第二输入开关耦接于第一输入端与第二输出端之间,第一输入开关及第二输入开关被配置为互补导通。当多电平AC‑DC转换电路工作于DCM时,控制方法包含步骤:(a)当第一输入端的电位低于第二输入端的电位时,将N‑1个第一开关及N‑1个第二开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关,当第一输入端的电位高于第二输入端的电位时,将N‑1个第二开关及N‑1个第一开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关;(b)依据每一飞跨电容两端的实际电压及参考电压,获得每一飞跨电容对应的调整值;以及(c)依据第k个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关的占空比,依据第N‑1个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关的占空比,其中,对于任一主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)
[0009] 为达到上述目的,本公开另提供一种多电平AC‑DC转换电路,其中多电平AC‑DC转换电路的电平数量为N,N为大于等于3的整数。多电平AC‑DC转换电路包含第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端、电感、N‑1个第一开关、N‑1个第二开关、N‑2个飞跨电容、第一输入开关、第二输入开关及控制单元。第一输入端及第二输入端架构于接收输入电压,第一输出端及第二输出端架构于提供输出电压。电感的第一端电连接于第二输入端。N‑1个第一开关串联连接于电感的第二端与第二输出端之间,第1个第一开关及第N‑1个第一开关分别耦接于电感的第二端及第二输出端。N‑1个第二开关串联连接于电感的第二端与第一输出端之间,第1个第二开关及第N‑1个第二开关分别耦接于电感的第二端及第一输出端。第k个飞跨电容跨接于第k个第一开关及第k+1个第一开关的公共连接点与第k个第二开关及第k+1个第二开关的公共连接点之间,k为小于等于N‑2的正整数。第一输入开关耦接于第一输入端与第一输出端之间,第二输入开关耦接于第一输入端与第二输出端之间,第一输入开关及第二输入开关被配置为互补导通。控制单元架构于在多电平AC‑DC转换电路工作于DCM时:当第一输入端的电位低于第二输入端的电位时,将N‑1个第一开关及N‑1个第二开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关,当第一输入端的电位高于第二输入端的电位时,将N‑1个第二开关及N‑1个第一开关分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关;依据每一飞跨电容两端的实际电压及参考电压,获得每一飞跨电容对应的调整值;以及依据第k个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关的占空比,依据第N‑1个主开关所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关的占空比,其中,对于任一主开关,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第一调整量;当(N‑
2)/(N‑1)<D≤1时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第二调整量,第一调整量与第二调整量的乘积为负值,D为调整前的N‑1个主开关的占空比。
附图说明
[0010] 图1为本公开一实施例的多电平DC‑DC转换电路的电路结构示意图。
[0011] 图2为本公开一实施例的多电平AC‑DC转换电路的电路结构示意图。
[0012] 图3例示出本公开的多电平转换电路的控制策略。
[0013] 图4例示出多电平转换电路中的部分飞跨电容、主开关及同步整流开关。
[0014] 图5A、图5B、图5C及图5D示出了图4中的飞跨电容的充电状态、放电状态及旁路状态。
[0015] 图6例示出飞跨电容的充放电时长与相邻主开关的开关状态之间的关系。
[0016] 图7为本公开的飞跨电容电压的控制方法的架构示意图。
[0017] 图8示出图2的多电平AC‑DC转换电路在N=3时的电路结构。
[0018] 图9A例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于CCM且D≤1/2时的波形
[0019] 图9B例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于CCM且1/2<D≤1时的波形。
[0020] 图10A例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且D<1/2时的波形,其中调整值Δd1的绝对值小于等于|D‑Dccm|。
[0021] 图10B例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且1/2
[0022] 图11A例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且D<1/2时的波形,其中调整值Δd1的绝对值大于|D‑Dccm|。
[0023] 图11B例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且1/2
[0024] 图12示出图2的多电平AC‑DC转换电路在N=4时的电路结构。
[0025] 图13A例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于CCM且D≤1/3时的波形。
[0026] 图13B例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于CCM且1/3
[0027] 图13C例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于CCM且2/3
[0028] 图14A例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且D<1/3时的波形,其中调整值Δd1的绝对值小于等于|D‑Dccm|。
[0029] 图14B例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且1/3<D<2/3时的波形,其中调整值Δd1的绝对值小于等于|D‑Dccm|。
[0030] 图14C例示出图12的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且2/3<D≤1时的波形,其中调整值Δd1的绝对值小于等于|D‑Dccm|。
[0031] 【附图标记列表】
[0032] 1:多电平DC‑DC转换电路
[0033] 11:正输入端
[0034] 12:负输入端
[0035] 13:正输出端
[0036] 14:负输出端
[0037] L:电感
[0038] Sa1、Sa2、Sa3、Sa(N‑1):第一开关、主开关
[0039] Sb1、Sb2、Sb3、Sb(N‑1):第二开关、同步整流开关
[0040] Cf1、Cf2、Cf3、Cf(N‑2):飞跨电容
[0041] 10:控制单元
[0042] Cp:输出稳压电容
[0043] Vin:输入电压
[0044] Vo:输出电压
[0045] 2:多电平AC‑DC转换电路
[0046] 21:第一输入端
[0047] 22:第二输入端
[0048] 23:第一输出端
[0049] 24:第二输出端
[0050] S1:第一输入开关
[0051] S2:第二输入开关
[0052] 20:控制单元
[0053] D1、D2:二极管
[0054] 25:浪涌电流限制器
[0055] R:电阻
[0056] RL1、RL2:开关
[0057] Cfk、Cf(k‑1)、Cf(k+1):飞跨电容
[0058] Sak、Sa(k+1):主开关
[0059] Sbk、Sb(k+1):同步整流开关
[0060] Ts:开关周期
[0061] D:占空比
[0062] θ:移相角
[0063] Tθ:移相角对应的时长
[0064] iL:流经电感L的电流
[0065] iCf1:流经飞跨电容Cf1的电流
[0066] Gak、Ga(k+1)、Ga1、Ga2、Ga3:控制信号

具体实施方式

[0067] 体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式下具有各种的变化,其皆不脱离本公开的范围,且其中的说明及图示在本质上仅用于说明,而非用以限制本公开。
[0068] 本公开的多电平转换电路包含多电平DC‑DC转换电路及多电平AC‑DC转换电路,分别以图1及图2例示说明如下。
[0069] 图1为本公开一实施例的多电平DC‑DC转换电路的电路结构示意图。如图1所示,多电平DC‑DC转换电路1的电平数量为N,其中N为大于等于3的整数。多电平DC‑DC转换电路1包含正输入端11、负输入端12、正输出端13、负输出端14、电感L、N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)、N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)、N‑2个飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)及控制单元10。正输入端11及负输入端12架构于连接于电源(DC电源)以接收输入电压Vin。正输出端13及负输出端14架构于提供输出电压Vo,其中负输出端14电连接于负输入端12。电感L的第一端电连接于正输入端11。所有第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)串联连接于电感L的第二端与负输出端14之间,其中第1个第一开关Sa1及第N‑1个第一开关Sa(N‑1)分别耦接于电感L的第二端及负输出端14。所有第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)串联连接于电感L的第二端与正输出端13之间,其中第1个第二开关Sb1及第N‑1个第二开关Sb(N‑1)分别耦接于电感L的第二端及正输出端13。在所有N‑2个飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)中,第k个飞跨电容Cfk跨接于第k个第一开关Sak及第k+1个第一开关Sa(k+1)间的公共连接点与第k个第二开关Sbk及第k+1个第二开关Sb(k+1)的公共连接点之间,其中k为小于等于N‑2的正整数,即k=1,2,...,(N‑2)。控制单元10架构于控制多电平DC‑DC转换电路1中所有开关的运行。
[0070] 在对开关的控制过程中,控制单元10将所有N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)作为主开关,并将所有N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)作为同步整流开关。于一些实施例中,多电平DC‑DC转换电路1还包含跨接于正输出端13与负输出端14之间的输出稳压电容Cp。
[0071] 图2为本公开一实施例的多电平AC‑DC转换电路的电路结构示意图。如图2所示,多电平AC‑DC转换电路2的电平数量为N。多电平AC‑DC转换电路2包含第一输入端21、第二输入端22、第一输出端23、第二输出端24、电感L、N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)、N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)、N‑2个飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)、第一输入开关S1、第二输入开关S2及控制单元20。第一输入端21及第二输入端22架构于连接于电源(AC电源)以接收输入电压Vin。第一输出端23及第二输出端24架构于提供输出电压Vo。电感L的第一端电连接于第二输入端22。所有第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)串联连接于电感L的第二端与第二输出端24之间,其中第1个第一开关Sa1及第N‑1个第一开关Sa(N‑1)分别耦接于电感L的第二端及第二输出端24。所有第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)串联连接于电感L的第二端与第一输出端23之间,其中第1个第二开关Sb1及第N‑1个第二开关Sb(N‑1)分别耦接于电感L的第二端及第一输出端23。在所有N‑2个飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)中,第k个飞跨电容Cfk跨接于第k个第一开关Sak及第k+1个第一开关Sa(k+1)间的公共连接点与第k个第二开关Sbk及第k+1个第二开关Sb(k+1)的公共连接点之间。第一输入开关S1耦接于第一输入端21与第一输出端23之间,第二输入开关S2耦接于第一输入端21与第二输出端24之间,其中第一输入开关S1及第二输入开关S2被配置为互补导通。控制单元20架构于控制多电平AC‑DC转换电路2中所有开关的运行。
[0072] 在对开关的控制过程中,当第一输入端21的电位低于第二输入端22的电位时,控制单元20将N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)及N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关。当第一输入端21的电位高于第二输入端22的电位时,控制单元20将N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)及N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)分别作为N‑1个主开关及N‑1个同步整流开关。详细而言,第一输入开关S1及第二输入开关S2根据输入电压Vin的极性进行导通。当输入电压Vin处于负半周时(即第一输入端21的电位高于第二输入端22的电位),第一输入开关S1及第二输入开关S2分别处于导通状态及关断状态,控制单元20将所有N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)作为主开关,并将所有N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)作为同步整流开关;反之,输入电压Vin处于正半周时(即第一输入端21的电位低于第二输入端22的电位),第一输入开关S1及第二输入开关S2分别处于关断状态及导通状态,控制单元20将所有N‑1个第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)作为主开关,并将所有N‑1个第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)作为同步整流开关。
[0073] 于一些实施例中,多电平AC‑DC转换电路2还包含跨接于第一输出端23与第二输出端24之间的输出稳压电容Cp。于一些实施例中,多电平AC‑DC转换电路2还包含二极管D1及D2,其中二极管D1的阴极端和阳极端分别电连接于第一输出端23及第二输入端22,二极管D2的阴极端和阳极端分别电连接于第二输入端22及第二输出端24。于一些实施例中,多电平AC‑DC转换电路2还包含浪涌电流限制器25,浪涌电流限制器25用于限制浪涌电流,以避免因浪涌电流损坏多电平AC‑DC转换电路2中的元器件。浪涌电流限制器25包含电阻R及开关RL1和RL2,其中开关RL1的两端分别电连接于第一输入端21及第一输入开关S1与第二输入开关S2的公共连接点,相互串联的电阻R及开关RL2所形成的支路跨接于开关RL1的两端。
[0074] 如图1及图2所示,多电平DC‑DC转换电路1和多电平AC‑DC转换电路2的主要区别详述如下。在多电平DC‑DC转换电路1中,固定将第一开关及第二开关分别作为主开关及同步整流开关,且多电平DC‑DC转换电路1根据输入电压Vin、输出电压Vo及负载的变化在CCM(continuous conduction mode,连续导通模式)与DCM(discontinuous conduction mode,断续导通模式)之间切换工作。而在多电平AC‑DC转换电路2中,则根据输入电压Vin的极性,将第一开关及第二开关中的一者及另一者分别作为主开关及同步整流开关,且多电平AC‑DC转换电路2根据输入电压Vin、输出电压Vo及负载的变化在CCM与DCM之间切换工作。
[0075] 对应前述多电平DC‑DC转换电路1和多电平AC‑DC转换电路2之间的区别,本公开的多电平转换电路的控制策略如图3所示。首先,判断多电平转换电路为多电平DC‑DC转换电路1或多电平AC‑DC转换电路2。若多电平转换电路为多电平DC‑DC转换电路1,则进一步判断多电平DC‑DC转换电路1当下工作在CCM或DCM。若多电平DC‑DC转换电路1工作在CCM,则采用CCM控制方式;而若多电平DC‑DC转换电路1工作在DCM,则采用DCM控制方式。此外,若多电平转换电路为多电平AC‑DC转换电路2,则进一步判断多电平AC‑DC转换电路2当下工作在CCM或DCM。若多电平AC‑DC转换电路2当下工作在CCM,则采用CCM控制方式;而若多电平AC‑DC转换电路2当下工作在DCM,则采用DCM控制方式。由于多电平DC‑DC转换电路1及多电平AC‑DC转换电路2可在CCM与DCM之间切换工作,故在执行CCM或DCM控制方式一段时间后(例如一个开关周期后),需再次判断多电平DC‑DC转换电路1或多电平AC‑DC转换电路2当下工作在CCM或DCM,并采用对应的控制方式。
[0076] 判断多电平DC‑DC转换电路1及多电平AC‑DC转换电路2当下工作在CCM或DCM的方式具体例示如下,该判断方式适用于多电平DC‑DC转换电路1及多电平AC‑DC转换电路2,故说明时以转换电路代称。首先,需依据下列等式计算转换电路工作于CCM及DCM时主开关的占空比理论值:
[0077]
[0078]
[0079] Tθ=Ts/(N‑1)
[0080] 其中,DCCM为转换电路工作于CCM时的主开关的占空比理论值,Tθ为任两个相邻的主开关之间的移相角θ所对应的时长,θ=360°/(N‑1),Ts为主开关的开关周期,h为整数,DDCM为转换电路工作于DCM时的主开关的占空比理论值,iL为流经电感L的电流。
[0081] 当DCCM≤DDCM时,转换电路工作于CCM,当DCCM>DDCM时,转换电路工作于DCM。
[0082] 在一些实施例中,也可以采用检测流经电感L的电流是否过零的方法来判断转换电路当下工作在CCM或DCM,并采用对应的控制方式。当检测到流过电感L的电流过零时,转换电路当下工作于DCM,则采用DCM控制方式。未检测到流过电感L的电流过零时,转换电路工作于CCM,则采用CCM控制方式。此处检测电感L的电流是否过零可以通过直接检测流经电感L的电流,也可以通过检测电路中的其他参数,只要能反映流经电感L的电流是否过零即可。
[0083] 由于对多电平DC‑DC转换电路1和多电平AC‑DC转换电路2所采用的CCM控制方式相同,且对多电平DC‑DC转换电路1和多电平AC‑DC转换电路2所采用的DCM控制方式亦相同,故后续本公开仅以多电平AC‑DC转换电路2为例详细说明CCM及DCM控制方式。再者,由于第一开关及第二开关中的一者和另一者分别为主开关及同步整流开关,故后续说明本公开的控制方法(包含CCM及DCM控制方式)时主要针对主开关的控制进行说明,且以将第一开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1)作为主开关(即主开关Sa1、Sa2、…、Sa(N‑1))为例。而在以第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)作为主开关的情况下,仅需将针对主开关的控制应用于第二开关Sb1、Sb2、…、Sb(N‑1)上即可,故不再赘述。另外,需注意的是,本公开述及的控制方法均由图1或图2中的控制单元10或20执行。
[0084] 在多电平转换电路中,飞跨电容是否进行充放电需视相邻开关的通断状态而定,以下以图4、图5A、图5B、图5C及图5D进行例示说明。图4示出多电平转换电路中的部分飞跨电容、主开关及同步整流开关,包含第k个、第k‑1个及第k+1个飞跨电容Cfk、Cf(k‑1)及Cf(k+1)、第k个及第k+1个主开关Sak及Sa(k+1)和第k个及第k+1个同步整流开关Sbk及Sb(k+1)。于图4的示例中,1
[0085] 图6例示出飞跨电容的充放电时长与相邻主开关的开关状态之间的关系。于图6中,Gak及Ga(k+1)分别表示主开关Sak及Sa(k+1)的控制信号,D为开关的占空比,阴影部分为飞跨电容Cfk进行充电或放电的时间段。于多电平转换电路中,每个主开关的初始占空比皆等于占空比D。如图6所示,由上至下依序为主开关Sak及Sa(k+1)的控制信号Gak及Ga(k+1)在Tθ≤DTs≤1‑Tθ时、在DTs1‑Tθ时的波形。在Tθ≤DTs≤1‑Tθ时,飞跨电容Cfk的充电及放电时长均等于Tθ;在DTs在DTs>1‑Tθ时,飞跨电容Cfk的充电及放电时长均等于(1‑D)Ts。由此可知,通过调整主开关的占空比的大小,可调整飞跨电容的充放电时间,进而调整飞跨电容上的电压。具体而言,任一主开关的占空比的改变将导致相邻的飞跨电容上的电压产生变化,以图6为例,主开关Sak的占空比的改变将导致相邻的飞跨电容Cf(k‑1)及Cfk上的电压产生变化,主开关Sa(k+
1)的占空比的改变将导致相邻的飞跨电容Cfk及Cf(k+1)上的电压产生变化。从另一角度而言,飞跨电容Cfk上的电压会被相邻的主开关Sak及Sa(k+1)的占空比的变化影响。
[0086] 以图4所示的飞跨电容Cf(k‑1)、Cfk及Cf(k+1)为例,依据所使用的控制方式(此处以使用比例控制器为例)、每一飞跨电容两端的实际电压及参考电压,可获得每一飞跨电容对应的调整值。具体计算方式例示如下:
[0087]
[0088]
[0089]
[0090] 其中,Δdk‑1、Δdk及Δdk+1分别为飞跨电容Cf(k‑1)、Cfk及Cf(k+1)对应的调整值,Kp为比例系数, 及 分别为飞跨电容Cf(k‑1)、Cfk及Cf(k+1)的参考电压,VCf(k‑1)、VCf(k)及VCf(k+1)分别为飞跨电容Cf(k‑1)、Cfk及Cf(k+1)两端的实际电压。
[0091] 请参阅图2及图4。现分别详述本公开的CCM控制方式及DCM控制方式如下。
[0092] 在CCM控制方式中,首先,根据前述等式(1)获得所有飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)对应的调整值。而后,依据第k个主开关Sak所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关Sak的占空比,并依据第N‑1个主开关Sa(N‑1)所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关Sa(N‑1)的占空比。具体调整方式例示如下:
[0093] Dk′=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
[0094] D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)   (2)
[0095] 其中,Dk和Dk′分别为调整前后的第k个主开关Sak的占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个主开关Sa(k+1)的占空比,Dk=Dk+1=D,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
[0096] 同时,将第k个主开关Sak及第k+1个主开关Sa(k+1)之间的移相角θ增加一角度以使调整占空比前后流经电感L的电流的峰值或谷值维持相同。具体计算方式例示如下:
[0097] 在D≤1/(N‑1)时,
[0098]
[0099] 而在m/(N‑1)
[0100]
[0101] 其中,m为小于等于N‑2的正整数, 为角度 对应的占空比。
[0102] 于一些实施例中,在CCM控制方式中,在D≤1/(N‑1)时,是通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流的谷值维持相同。在m/(N‑1)
[0103] 须注意的是,在DTs等于Tθ的整数倍时,由于流经电感L的电流无法为零,故多电平转换电路必然工作于CCM。因此,于DCM控制方式中,无需考量DTs等于Tθ的整数倍时的情况。
[0104] 在DCM控制方式中,首先,根据前述等式(1)获得所有飞跨电容Cf1、Cf2、…、Cf(N‑2)对应的调整值。而后,依据第k个主开关Sak所连接的飞跨电容对应的调整值调整第k个主开关Sak的占空比,并依据第N‑1个主开关Sa(N‑1)所连接的飞跨电容对应的调整值调整第N‑1个主开关Sa(N‑1)的占空比。对于任一主开关而言,当D<(N‑2)/(N‑1)时,调整后的占空比相对于调整前的占空比具有第一调整量;当(N‑2)/(N‑1)
[0105] 在D<(N‑2)/(N‑1)时,
[0106] D′k=Dk+(Δdk‑1‑Δdk)
[0107] D′k+1=Dk+1+(Δdk‑Δdk+1)   (5)
[0108] 在(N‑2)/(N‑1)
[0109] D′k=Dk‑(Δdk‑1‑Δdk)
[0110] D′k+1=Dk+1‑(Δdk‑Δdk+1)   (6)
[0111] 其中,Dk和D′k分别为调整前后的第k个主开关Sak的占空比,Dk+1和D′k+1分别为调整前后的第k+1个主开关Sa(k+1)的占空比,Dk=Dk+1=D,其中当k等于1时,Δdk‑1为零,当k等于N‑2时,Δdk+1为零。
[0112] 于一些实施例中,在DCM控制方式中,为避免因调整占空比而影响下一开关周期的电流,进而影响飞跨电容的充放电和的电路的稳态工作,每一飞跨电容对应的调整值的绝对值须小于等于|D‑Dccm|,其中Dccm=1‑(Vin/Vo)。若第k个飞跨电容Cfk对应的调整值Δdk的绝对值大于|D‑Dcem|,则调整第k个主开关Sak及第k+1个主开关Sa(k+1)之间的移相角θ,以使流经电感L的电流可以降低到零,以维持多电平转换电路工作于DCM。
[0113] 图7为本公开的飞跨电容电压的控制方法的架构示意图。如图7所示及前述CCM和DCM控制方式可知,本公开首先获取各飞跨电容对应的调整值,并基于调整值控制各开关的占空比以及开关之间的移相角,从而平衡各飞跨电容上的电压。于图7中,利用PWM(pulse width modulation,脉冲宽度调制)产生各开关的控制信号,此外,控制器所接收的采样结果包括但不限于输入电压Vin、输出电压Vo或流经电感L的电流。本公开的飞跨电容电压的控制方法无需对流经电感L的电流的正负号进行判断即可实现飞跨电容电压的平衡,故可避免对电流的正负号的误判影响飞跨电容的充放电逻辑,因此,本公开的飞跨电容电压的控制方法可提升对飞跨电容电压的平衡控制的可靠性。
[0114] 以下将以多电平AC‑DC转换电路2具体例示本公开的飞跨电容电压的控制方法。
[0115] 在N=3,即多电平AC‑DC转换电路2的电平数量为3时,如图8所示,多电平AC‑DC转换电路2包含两个第一开关Sa1和Sa2、两个第二开关Sb1和Sb2以及一个飞跨电容Cf1,移相角θ对应的时长Tθ等于0.5Ts,且于此示例中,将第一开关及第二开关分别作为主开关及同步整流开关。
[0116] 在图8的多电平AC‑DC转换电路2工作于CCM的情况下,且D≤1/2时,通过前述等式(2)获得:
[0117] D′1=D1‑Δd1
[0118] D′2=D2+Δd1   (7)
[0119] 通过前述等式(3)获得:
[0120]
[0121] 假设飞跨电容Cf1需要放电,则Δd1<0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图9A所示。于图9A中,分别以实线及虚线表示调整占空比及移相角θ前后的波形,Ga1及Ga2分别表示主开关Sa1及Sa2的控制信号,iCf1为流经飞跨电容Cf1的电流。再者,图9A中以Δd1及 标示出开关波形受占空比及移相角调整所影响的部分。如图9A所示,通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流iL的谷值维持相同,以确保飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0122] 在图8的多电平AC‑DC转换电路2工作于CCM的情况下,且1/2<D≤1时,通过前述等式(2)获得:
[0123] D′1=D1‑Δd1
[0124] D′2=D2+Δd1   (9)
[0125] 通过前述等式(4)获得:
[0126]
[0127] 假设飞跨电容Cf1需要放电,则Δd1<0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图9B所示。于图9B中,分别以实线及虚线表示调整占空比及移相角θ前后的波形。如图9B所示,通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流iL的峰值维持相同,以确保飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0128] 在图8的多电平AC‑DC转换电路2工作于DCM的情况下,且D<1/2时,通过前述等式(5)获得:
[0129] D′1=D1‑Δd1
[0130] D′2=D2+Δd1   (12)
[0131] 假设飞跨电容Cf1需要放电,则Δd1<0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图10A所示。于图10A中,分别以实线及虚线表示调整占空比前后的波形。如图10A所示,此时流经电感L的电流iL仍可到零,不会破坏原先的DCM工作状态。飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0132] 在图8的多电平AC‑DC转换电路2工作于DCM的情况下,且1/2<D≤1时,通过前述等式(6)获得:
[0133] D′1=D1+Δd1
[0134] D′2=D2‑Δd1   (12)
[0135] 假设飞跨电容Cf1需要放电,则Δd1<0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图10B所示。于图10B中,分别以实线及虚线表示调整占空比前后的波形。如图10B示,此时流经电感L的电流iL仍可到零,不会破坏原先的DCM工作状态。飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0136] 于图10A及图10B的示例中,飞跨电容Cf1对应的调整值Δd1的绝对值小于等于|D‑Dccm|。于另一实施例中,若调整值Δd1的绝对值大于|D‑Dccm|,则需调整主开关Sa1及Sa2之间的移相角θ,以使流经电感L的电流可以降低到零。图11A例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且D<1/2时的波形,其中调整值Δd1的绝对值大于|D‑Dccm|。图11B例示出图8的多电平AC‑DC转换电路在工作于DCM且1/2<D≤1时的波形,其中调整值Δd1的绝对值大于|D‑Dccm|。于图11A及图11B中,分别以实线及虚线表示调整占空比前后的波形。
[0137] 在N=4,即多电平AC‑DC转换电路2的电平数量为4时,如图12所示,多电平AC‑DC转换电路2包含三个第一开关Sa1、Sa2和Sa3、三个第二开关Sb1、Sb2和Sb3以及两个飞跨电容Cf1和Cf2,移相角θ对应的时长Tθ等于Ts/3,且于此示例中,将第一开关及第二开关分别作为主开关及同步整流开关。
[0138] 在图12的多电平AC‑DC转换电路2工作于CCM的情况下,且D≤1/3时,通过前述等式(2)获得:
[0139] D′1=D1‑Δd1
[0140] D′2=D2+Δd1‑Δd2
[0141] D′3=D3+Δd2   (13)
[0142] 通过前述等式(3)获得:
[0143]
[0144]
[0145] 假设飞跨电容Cf1需要放电且飞跨电容Cf2不需进行充放电(即保持电压平衡),则Δd1<0且Δd2=0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图13A所示。于图13A中,分别以实线及虚线表示调整占空比及移相角θ前后的波形,Ga3表示主开关Sa3的控制信号。如图13A所示,通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流iL的谷值维持相同,以确保飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0146] 在图12的多电平AC‑DC转换电路2工作于CCM的情况下,且1/3
[0147] D′1=D1‑Δd1
[0148] D′2=D2+Δd1‑Δd2
[0149] D′3=D3+Δd2   (15)
[0150] 通过前述等式(4)获得:
[0151]
[0152]
[0153] 假设飞跨电容Cf1需要放电且飞跨电容Cf2不需进行充放电,则Δd1<0且Δd2=0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图13B所示。于图13B中,分别以实线及虚线表示调整占空比及移相角θ前后的波形。如图13B所示,通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流iL的峰值维持相同,以确保飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cfl的放电。
[0154] 在图12的多电平AC‑DC转换电路2工作于CCM的情况下,且2/3
[0155] D′1=D1‑Δd1
[0156] D′2=D2+Δd1‑Δd2
[0157] D′3=D3+Δd2   (17)
[0158] 通过前述等式(4)获得:
[0159]
[0160]
[0161] 假设飞跨电容Cf1需要放电且飞跨电容Cf2不需进行充放电,则Δd1<0且Δd2=0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图13C所示。于图13C中,分别以实线及虚线表示调整占空比及移相角θ前后的波形。如图13C所示,通过控制角度 使调整占空比前后流经电感L的电流iL的谷值维持相同,以确保飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0162] 在图12的多电平AC‑DC转换电路2工作于DCM的情况下,且D<2/3时,通过前述等式(5)获得:
[0163] D′1=D1‑Δd1
[0164] D′2=D2+Δd1‑Δd2
[0165] D′3=D3+Δd2   (19)
[0166] 假设飞跨电容Cf1需要放电且飞跨电容Cf2不需进行充放电,则Δd1<0且Δd2=0,对应的多电平AC‑DC转换电路2在D<1/3时及在1/3<D<2/3时的波形分别如图14A及图14B所示。于图14A及图14B中,分别以实线及虚线表示调整占空比前后的波形。如图14A及图14B所示,此时流经电感L的电流iL仍可到零,不会破坏原先的DCM工作状态。飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0167] 在图12的多电平AC‑DC转换电路2工作于DCM的情况下,且2/3
[0168] D′1=D1+Δd1
[0169] D′2=D2‑Δd1+Δd2
[0170] D′2=D3‑Δd2   (20)
[0171] 假设飞跨电容Cf1需要放电且飞跨电容Cf2不需进行充放电,则Δd1<0且Δd2=0,对应的多电平AC‑DC转换电路2中的波形如图14C所示。于图14C中,分别以实线及虚线表示调整占空比前后的波形。如图14C所示,此时流经电感L的电流iL仍可到零,不会破坏原先的DCM工作状态。飞跨电容Cf1的充放电独立,且放电多,充电少,从而实现飞跨电容Cf1的放电。
[0172] 综上所述,本公开提供一种多电平转换电路及其飞跨电容电压的控制方法,能够应用于CCM及DCM,其通过控制各开关的占空比及开关之间的移相角来平衡飞跨电容电压,且无需对电流的正负号进行判断,故可避免对电流的正负号的误判影响飞跨电容的充放电逻辑,借此提升对飞跨电容电压的平衡控制的可靠性。
[0173] 须注意,上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例,本公开不限于所述的实施例,本公开的范围由权利要求决定。且本公开可由本领域技术人员进行各种修改,但都不脱离权利要求的保护范围。
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