[发明专利]多电平升压转换器

说明书

一种直流‑直流转换器使用多电平升压转换器拓扑。除了将输入电压(107)通过与一对二极管(141，142)串联的升压电感器(112)连接到输出节点外，桥式电路在飞跨电容器(151)的一侧上生成多电平波形，所述飞跨电容器的另一侧连接在所述串联的二极管(141，142)之间。在所述输出节点发生异常的情况下，所述升压转换器拓扑在其组件上保持低电压应力，并允许对所述飞跨电容器(151)进行简单的预充电。

现有技术

本申请要求于2018年1月5日提交的题为“Multi-level boost converter”的美国临时申请号15/863,002的权益，其在此通过引用并入本文。

技术领域

本申请大体涉及直流-直流转换器领域，更具体地，涉及升压转换器。

背景技术

升压转换器是一种直流-直流电力转换器，它仅需要较低的电流电平便可以生成高于输入电压的输出电压。图1示出了升压转换器的示例。

在此示例中，输入电压源Vin 17在-端处连接到地或低压轨，并在+端处通过电感器L 12和二极管D0 14的串联组合连接到由电阻器Ro 19表示的负载。输出电容器Co 15连接在Vo处的输出节点与地之间，与负载Ro 19并联。输入电容器Cin 11连接在输入节点与地之间，与电压源Vin 17并联。开关S0 13的一侧连接到电感器L 12与二极管D0 14之间的节点，而另一侧接地。该开关通常实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolar transistor，IGBT)或双极结型晶体管(双极晶体管或BJT)。

当开关S0 13处于导通状态且闭合时，来自Vin 17的电流路径通过S0 13到地，并且通过电感器L 12的电流增大。当开关S0 13处于断开状态且打开时，电流可通过的唯一路径是通过二极管D0 14并且通到电容器Co 15和电阻器Ro 19。这导致当S0 13导通时，积聚的能量转移到电容器Co 15中。当开关S0 13重新断开时，二极管D0 14防止电流在另一个方向向升压电感器L 12流回。当转换器连续运行时，开关交替打开和闭合，这导致负载Ro 19上的输出电压Vo的值比Vin高，但电流电平较低。通过改变切换或占空比的周期(S0 13导通期间的分数)，可以改变Vo与Vin的比值。占空比越短，Vo/Vin的比值越高。

当S0 13导通时，二极管D0 14需要能够支持Vo的满值。在高压应用中，诸如在Vin来自光伏转换器且输出可能为电网供电的情况下，Vin的取值范围可以在200V-1000V之间，且Vo可以高达1200V。这只是一个示例。因此，二极管D0 14可能需要支持1200V。虽然1200V的二极管可以处理所需电流，且电压电平是可用的，但它们成本高、缺点多。对于1200V的硅二极管而言，此类器件具有较差的反向恢复性能，因此需要反向电流流动，降低了效率。对于1200V的碳化硅(SiC)而言，二极管实现了几乎为零的反向恢复，但会导致较高的正向压降。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括直流-直流电压转换器。所述直流-直流电压转换器具有用于接收输入电压的输入电压节点、用于提供输出电压的输出电压节点，以及连接在所述输入节点与所述输出节点之间的电感器。第一二极管和第二二极管串联在所述电感器与所述输出节点之间，用于使电流从所述电感器流向所述输出电压节点。第一电容器具有第一极板和第二极板，其中，所述第一极板连接到所述第一二极管与所述第二二极管之间的节点，所述第二极板连接到内部节点。第三二极管连接在所述内部节点与中间电压节点之间，用于使电流从所述内部节点流向所述中间电压节点。第一开关连接在所述内部节点与所述电感器与第二二极管和第三二极管之间的节点之间。第二开关连接在所述内部节点与地之间，其中，所述第一开关和所述第二开关用于在所述内部节点上生成多电平波形。