[发明专利]一种多态三电平升压电路

说明书

技术领域

本发明涉及电路技术领域，更具体地说，涉及一种多态三电平升压电路。

背景技术

升压(Boost)电路用于把低直流电压变换到高直流电压。三电平拓扑由于其开关管的电压应力只有两电平的一半，有利于开关器件的选项，同时减小了所需电感的尺寸，所以应用非常广泛。

请参阅图1，为现有技术中普通三电平升压电路的电路图。该电路中Vin为直流输入电源，电感L1、L2为升压电感，开关管S1、S2为升压控制的开关元件，二极管D1、D2为续流二极管，电容C1、C2为母线电容，为负载R_L供电。开关管S1、S2的电压应力是母线电压的一半，所以称为三电平升压电路。随着高效高功率密度需求的不断增加，提高开关频率成为提高功率密度的一个途径。然而，虽然提高开关频率可以减小无源器件电感、变压器和电容的体积，但是，开关频率高了以后开关损耗增加，这样效率又很难保证，最终无法同时实现高功率密度和高效率。

为了实现同时提高效率和功率密度这个目标，交错并联的结构被提出。请参阅图2，为现有技术中交错并联的三电平升压电路的电路图。如图2所示，Vin是输入直流电源、电感L11、L12、L21、L22是升压电感，开关管S11、S12、S21、S22是升压控制的开关元件，二极管D11、D12、D21、D22是续流二极管，电容C1、C2是母线电容。两个三电平升压电路交错工作，形成交错并联的三电平升压电路。每个三电平升压电路的工作过程是一样的，只是交错的两个单元的开关管的驱动信号进行一定角度的相移，使得两个电感的电流纹波相加，抵消特定次的谐波，最终使输入总电流的纹波幅值减小，频率增加，由此实现提高功率密度的目的。

但是，交错并联必须采样每个交错单元的输入电感或者开关管的电流，单独控制每个交错单元的电流，并且要进行均流控制，在控制技术上比较复杂。对于图1所示的结构，根据调制方式的不同，有开关管S1和S2同时导通或者不同时导通两个方式，以开关管S1和S2同时导通方式为例，在图2所示的交错并联结构中需要单独检测两个交错单元的电流，如电感L11、L12或者L21、L22的电流或者开关管S11、S12或者S21、S22的电流，分别对两个并联单元的电流进行控制，并且需要输入电流的一半作为单元电流的参考进行均流控制。至少需要两个电流采样器件，和三个电流控制环，增加了采样成本和控制复杂度。

因此，交错并联结构需要采样各交错单元的电感或者开关管电流，进行电流的单独控制，同时需要增加均流控制器消除各单元间的环流，采样的成本高，电流控制器结构复杂。而且交错并联的单元数量多的时候(如大于两个并联单元)均流控制的复杂度增加很多，对控制芯片的功能要求比较大，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有升压电路无法在保障效率和功率密度的同时降低采样成本和控制复杂度的缺陷，提供一种采用多态开关实现的多态三电平升压电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多态三电平升压电路，包括：直流电压源、第一升压电感、第二升压电感、第一母线电容、第二母线电容和控制器；所述第一母线电容和第二母线电容串联在所述多态三电平升压电路的第一主输出端和第二主输出端之间；

所述多态三电平升压电路还包括：第一多态开关和第二多态开关；直流电压源的正输出端通过第一升压电感连接至所述第一多态开关的第一端；所述第一多态开关的第三端连接至所述第一主输出端；所述直流电压源的负输出端通过第二升压电感连接至所述第二多态开关的第一端；所述第二多态开关的第三端连接至所述第二主输出端；所述第一多态开关和第二多态开关的第二端均连接至两个母线电容的中点；其中，第一多态开关和第二多态开关的桥臂均受控于所述控制器，根据各个桥臂导通状态的不同形成多个开关模态，使所述多态三电平升压电路呈现三电平。

在本发明所述的多态三电平升压电路中，所述多态三电平升压电路为三态三电平升压电路，所述第一多态开关和第二多态开关采用包含以下元件的多态开关：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为多态开关的第一端；且所述变压器的原边和副边的匝数相等；

两个整流元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第三端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第三端之间；

两个开关元件，分别连接在所述变压器的原边的异名端与多态开关的第二端之间，以及在所述变压器的副边的同名端与多态开关的第二端之间；每个开关元件构成一个桥臂，均受控于所述控制器；