一种三电平BOOST装置的制作方法

一种三电平boost装置
技术领域
1.本实用新型涉及集成电路领域，具体涉及一种三电平boost装置。


背景技术：

2.如图1所示，传统的飞跨电容型三电平boost装置主电路拓扑具有工作效率高，电感倍频等优点，可以减小电感重量及尺寸，有利于降低装置成本及结构。
3.但是，在其输出侧发生短路故障时，如图2所示，该装置中的第一升压模块boost 1#的飞跨电容cf1、二极管d1、输出侧a、输出侧b以及开关管q1/其反并联二极管共同构成放电回路1。此外，第二升压模块boost 2#的飞跨电容cf2、二极管d2、输出侧a、输出侧b以及开关管q2/其反并联二极管也共同构成放电回路2。以此类推，所有与第一升压模块boost 1#输出并连的升压模块都会与故障点a和b构成放电回路，而巨大的放电电流会损坏放电回路上所有的功率器件。
4.而在其输出极性反接的情况下，如图3所示，也即第二升压模块boost 2#的输出正极与第一升压模块boost 1#的输出负极相连接、第二升压模块boost 2#的输出负极与第一升压模块boost 1#的输出正极相连接。此时，输出侧a、开关管q2/其反并联二极管、开关管q1/其反并联二极管、二极管d1、二极管d2、输出侧b也会构成放电回路，所有输出极性正接的升压模块都会向该输出极性反接的升压模块放电，而巨大的放电电流同样会损坏放电回路上所有的功率器件。


技术实现要素：

5.基于上述现有技术的不足，本实用新型提出了一种三电平boost装置，以解决现有boost装置在输出侧发生短路故障或者输出极性反接时，所产生的巨大放电电流会导致放电回路上的功率器件损坏的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
7.本申请公开了一种三电平boost装置，其主电路第一极支路上依次设置有电感、第一二极管和第二二极管；所述电感和所述第一二极管的连接点，依次通过第一开关管所在支路和第二开关管所在支路，与所述主电路第二极支路相连；其特征在于：
8.所述第二开关管所在支路上还设置有与所述第二开关管串联连接的单向导通器件，且所述单向导通器件的方向与所述第一开关管的反并联二极管和所述第二开关管的反并联二极管的方向均相反；
9.所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点，通过飞跨电容，连接所述第一二极管和所述第二二极管的连接点。
10.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述主电路，还包括：第一可控开关和第二可控开关；其中：
11.所述第一可控开关的第一端和所述第二可控开关的第一端，均与所述飞跨电容远离所述第一极支路的一端相连；
12.所述第一可控开关的第二端，与所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点相连；
13.所述第二可控开关的第二端与所述第二极支路或者所述主电路的输出母线中点相连。
14.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述主电路，还包括：电阻；
15.所述电阻与所述第二可控开关串联连接于所述飞跨电容与所述第二极支路之间，或者，所述电阻与所述第二可控开关串联连接于所述飞跨电容与所述主电路的输出母线中点之间。
16.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述第一可控开关和所述第二可控开关为以下任意一种：
17.常开继电器或者功率半导体开关管。
18.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述主电路，还包括：第三二极管；
19.所述第三二极管的阳极，与所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点相连，所述第三二极管的阴极与所述主电路的输出母线中点相连。
20.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述主电路，还包括：预充电单元以及第三可控开关；其中：
21.所述预充电单元并联连接于所述飞跨电容的两端；
22.所述第三可控开关连接于所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点与所述飞跨电容之间。
23.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述第三可控开关为以下任意一种：
24.继电器、接触器以及半导体双向开关。
25.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述单向导通器件为第四二极管；所述第四二极管的阳极为所述单向导通器件的输入端，所述第四二极管的阴极为所述单向导通器件的输出端。
26.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述第一极支路为正极支路，所述第二极支路为负极支路；
27.所述第一开关管的漏极与所述第一二极管的阳极相连。
28.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述第一极支路为负极支路，所述第二极支路为正极支路；
29.所述第一开关管的源极与所述第一二极管的阴极相连。
30.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述单向导通器件连接于所述第一开关管和所述第二开关管之间，且所述第一开关管与所述单向导通器件的连接点，作为所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点；
31.或者，所述单向导通器件连接于所述第二开关管和所述第二极支路之间；且所述第一开关管与所述第二开关管的连接点，作为所述第一开关管所在支路和所述第二开关管所在支路的连接点。
32.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述主电路，还包括：输入电容模块和输出电容模块；
33.所述输入电容模块连接于所述主电路的输入母线正负极之间；
34.所述输出电容模块连接于所述主电路的输出母线正负极之间。
35.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述第一极支路为正极支路、所述第二极支路为负极支路时，所述主电路，还包括：旁路器件；
36.所述旁路器件并联于所述电感、所述第一二极管和所述第二二极管构成的串联支路两端，且所述旁路器件与所述第一二极管和所述第二二极管的方向相同。
37.可选地，在上述的三电平boost装置中，所述旁路器件为二极管。
38.基于上述本申请实施例提供的三电平boost装置，其主电路的第一极支路上依次设置有电感、第一二极管和第二二极管；该电感和第一二极管的连接点，依次通过第一开关管所在支路和第二开关管所在支路，与主电路的第二极支路相连；第二开关管所在支路上还设置有与第二开关管串联连接的单向导通器件，且单向导通器件的方向与第一开关管的反并联二极管和第二开关管的反并联二极管的方向均相反；第一开关管所在支路和第二开关管所在支路的连接点，通过飞跨电容，连接第一二极管和第二二极管的连接点，能够在三电平boost装置的输出侧发生短路故障时，通过该单向导通器件阻断图2中由飞跨电容cf1、二极管d1、输出侧a、输出侧b以及开关管q1/其反并联二极管共同构成的放电回路1，以及阻断图2中由飞跨电容cf2、二极管d2、输出侧a、输出侧b以及开关管q2/其反并联二极管共同构成的放电回路2，从而能够避免此时放电回路上产生的巨大放电电流对回路中功率器件造成的损坏；并且，还能够在三电平boost装置的输出极性反接时，阻断图3中由输出侧a、开关管q2/其反并联二极管、开关管q1/其反并联二极管、二极管d1、二极管d2构成的放电回路，从而也能够避免此时放电回路上产生的巨大放电电流对回路中功率器件造成的损坏。
附图说明
39.为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
40.图1为现有的一种三电平boost装置的主电路的结构示意图；
41.图2为现有三电平boost装置的主电路输出侧发生短路故障时对应的回路示意图；
42.图3为现有三电平boost装置的主电路输出极性反接时对应的回路示意图；
43.图4和图5为本申请实施例提供的两种三电平boost装置的主电路的结构示意图；
44.图6和图7为本申请实施例提供的另外两种三电平boost装置的主电路的结构示意图；
45.图8至图11为本申请实施例提供的四种三电平boost装置的工作模态图；
46.图12至图15为本申请实施例提供的又四三电平boost装置的主电路的结构示意图。
具体实施方式
47.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
48.本申请实施例提供了一种三电平boost装置，以解决现有boost装置在输出侧发生短路故障或者输出极性反接时，所产生的巨大放电电流会导致放电回路上的功率器件损坏的问题。
49.请参见图4至图7，与现有技术中图1所示结构相同的是，该三电平boost装置的主电路的第一极支路上依次设置有电感l，第一二极管d1和第二二极管d2；电感l和第一二极管d1的连接点，依次通过第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路，与主电路第二极支路相连；也即电感l和第一二极管d1的连接点，与第二极支路之间设置有第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路；第一二极管d1和第二二极管d2的连接点处连接有飞跨电容cf。
50.值得说明的是，该第一极支路可以是图4或图6中位于上方的正极支路，此时第二极支路是图4或图6中位于下方的负极支路；该第一极支路也可以是图5或图7中位于下方的负极支路，此时第二极支路是图5或图7中位于上方的正极支路。其中，图4和图5示出的三电平boost装置的主电路互为对偶结构，图6和图7示出的三电平boost装置的主电路互为对偶结构。
51.如图4或图5所示，与现有技术中图1所示结构不同的是，该三电平boost装置的主电路中，还设置有一个单向导通器件101；该单向导通器件101设置于第二开关管q2所在支路上，并且与第二开关管q2串联连接，且单向导通器件101的方向与第一开关管q1的反并联二极管和第二开关管q2的反并联二极管的方向均相反，也即，当其导通时，电流流通方向可以为由第一极支路指向第二极支路(如图4或图6所示)，此时其连接关系为：输入端靠近第一极支路、输出端靠近第二极支路；或者，其电流流通方向还可以为由第二极支路指向第一极支路(如图5或图7所示)，此时其连接关系为：输出端靠近第一极支路、输入端靠近第二极支路。
52.实际应用中，该单向导通器件101可以设置于两个开关管之间，也可以设置于第二开关管q2与第二极支路之间；此处不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
53.以图4为例，该第一极支路是正极支路，第二极支路是负极支路，则该单向导通器件101设置于两个开关管之间时，其输入端与第一开关管q1的源极相连，其输出端与第二开关管q2的漏极相连；也即，电感l和第一二极管d1阳极的连接点，依次通过第一开关管q1、单向导通器件101和第二开关管q2，与主电路的第二极支路相连。并且，第一开关管q1的源极和单向导通器件101的输入端的连接点，作为第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点，与飞跨电容cf远离第一二极管d1和第二二极管d2的连接点的另一端相连。
54.换言之，单向导通器件101连接于第一开关管q1和第二开关管q2之间，且第一开关管q1与单向导通器件101的连接点，作为第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点。
55.另外，该单向导通器件101设置于第二开关管q2与第二极支路之间时，其输入端与第二开关管q2的源极相连，其输出端与第二极支路相连；也即，电感l和第一二极管d1阳极的连接点，依次通过第一开关管q1、第二开关管q2和单向导通器件101，与主电路的第二极支路相连。并且，第一开关管q1的源极和第二开关管q2的漏极的连接点，作为第一开关管q1
所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点，与飞跨电容cf远离第一二极管d1和第二二极管d2的连接点的另一端相连。
56.换言之，单向导通器件101连接于第二开关管q2和第二极支路之间，且第一开关管q1与第二开关管q2的连接点，作为第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点。
57.图5中，该第一极支路是负极支路，第二极支路是正极支路，此时第一开关管q1的源极与第一二极管d1的阴极相连，其他连接原理与上述内容相似，此处不再赘述。
58.在实际应用中，该单向导通器件101可以为如图7或图8中示出的第四二极管d4。其中，第四二极管d4的阳极为单向导通器件101的输入端，第四二极管d4的阴极为单向导通器件101的输出端；当其导通时，电流流通方向为：由其阳极流向阴极，也即由单向导通器件101的输入端流向输出端。
59.需要说明的是，该单向导通器件101的具体类型除了可以是二极管外，还可以是现有技术中具有单向导通功能的其他器件，本申请对单向导通器件101的具体类型不作限定，均属于本申请的保护范围。
60.具体的，本申请所提及的正极支路是与逆变器直流母线电容正极相连的支路，也即图4至图7中示出的支路bus+，负极支路是与逆变器直流母线负极相连的支路，也即图4至图7示出的支路bus
‑
。
61.以图4或图6示出的三电平boost装置的主电路为例：
62.当三电平boost装置的输出侧发生短路故障时，通过图4中示出的单向导通器件101，比如图6中的第四二极管d4，能够防止放电电流的流通，阻断了由飞跨电容cf、第二二极管d2、输出电容模块co1和co2及第二开关管q2/其反并联二极管构成的放电回路，从而能够在三电平boost装置中任意一路boost电路输出侧发生短路故障时阻断其产生放电回路，有效避免回路中功率器件的批量损坏。
63.而当三电平boost装置中的输出极性反接时，通过图4中示出的单向导通器件101，比如图6中的第四二极管d4，同样能够防止放电电流的流通，阻断了由输出电容模块co1和co2、开关管q1/其反并联二极管、开关管q2/其反并联二极管、第一二极管d1及第二二极管d2构成的放电回路，从而能够在三电平boost装置中任意一路boost电路输出极性反接时，阻断其产生放电回路，有效避免功率器件的批量损坏。
64.基于上述原理，该单向导通器件101通过限制电流流向，能够避免放电回路的产生，从而能够避免巨大的放电电流对功率器件造成的损坏。
65.同样参见图4至图7，在实际应用中，该三电平boost装置的主电路还包括：输入电容模块(包括但不仅限于图4至图7中的电容cin)，输出电容模块(包括但不仅限于图4至图7中的电容co1和电容co2)。
66.其中，输入电容模块连接于主电路的输入母线正负极(即bus+和bus
‑
)之间。
67.输出电容模块连接于主电路的输出母线正负极之间。
68.在实际应用中，当该三电平boost装置的第一极支路为正极支路、第二极路为负极支路时，该主电路，还包括：旁路器件(图4和图6示出的二极管d0)。
69.其中，旁路器件并联于电感l、第一二极管d1和第二二极管d2构成的串联支路两端，且旁路器件与第一二极管d1和第二二极管d2的方向相同。
70.在图4至图7所示出的三电平boost装置的主电路的基础之上，以图4为例：本申请提供三电平boost装置的主电路的升压控制性能，在设置了单向导通器件101，比如第四二极管d4之后，对主电路本身具体的升压性能并不影响。具体的，可参见图8至图11所示出的该三电平boost装置处于四种工作状态下的模态图，可见本申请在设置第四二极管d4之后，其控制原理均与图1所示结构的工作模态控制原理无异，软件上无需任何改进。
71.值得说明的是，现有技术中的三电平boost装置除了上述的在输出侧发生短路故障或者输出极性反接时，会导致放电回路上的功率器件损坏的问题外，还存在另一个严重的问题：由于三电平boost装置在工作前飞跨电容cf两端的电压为0，当输入侧电压较高，例如为1300v时，在三电平boost装置启动的一瞬间第二开关管q2将承受1300v电压，其会因过压而被击穿。
72.对此，在图4至图7的基础上，本申请另一实施例提供的主电路，还能够解决三电平boost装置输入侧电压较高时存在的启动瞬间开关管过压击穿问题。
73.请参见图12或图13(仅以在图6基础上为例进行展示)，该主电路还包括：第一可控开关k1和第二可控开关k2。
74.其中，第一可控开关k1的第一端和第二可控开关k2的第一端，均与飞跨电容cf远离第一极支路的一端相连。
75.第一可控开关k1的第二端与第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点相连。当单向导通器件101设置于两个开关管之间时，第一可控开关k1的第二端与第一开关管q1的源极及单向导通器件101的输入端相连；当单向导通器件101设置于第二开关管q2与第二极支路之间时，第一可控开关k1的第二端与两个开关管的连接点相连。
76.第二可控开关k2的第二端与第二极支路或者主电路的输出母线中点(图8和图9中的ne)相连。
77.该第一可控开关k1和第二可控开关k2用于：在三电平boost装置的输入端正负极之间的电压uin，也即输入电容模块cin的电压，上升至大于等于第一启机阈值时，第一可控开关k1根据控制处于断开状态、第二可控开关k2根据控制处于闭合状态，为飞跨电容cf提供充电电流，待飞跨电容cf上的电压充电至第二启机阈值时，第一可控开关k1根据控制处于闭合状态，第二可控开关k2根据控制处于断开状态。
78.在实际应用中，为了对飞跨电容cf的充电电流进行限制，还可以在飞跨电容cf与输出母线负极之间，设置与第二可控开关k2串联的如图12所示的电阻r，或者，在飞跨电容cf与主电路的输出母线中点之间，设置与第二可控开关k2串联的如图13所示的电阻r。
79.在本实施例中，在三电平boost装置的主电路增设第一可控开关k1、第二可控开关k2及电阻后，能够在其输入侧电压上升至第一启机阈值时，通过控制两个可控开关的通断，即可在启机时直接以主电路输入母线正负极之间的电压为飞跨电容cf充电；待飞跨电容cf上的电压充至第二启机阈值时，控制第一可控开关k1闭合、第二可控开关k2断开，是第一开关管q1与飞跨电容cf并联，从而升高第一开关管q1两端的电压、降低第二开关管q2的两端电压，使得两个开关管的电压均处于安全范围内，进而保证启机时开关管不至过压而击穿损坏。
80.需要说明的是，第一可控开关k1可以为常开继电器，第二可控开关k2可以为常闭继电器。其中，第一可控开关k1和第二可控开关k2还可以用功率半导体开关器件代替，如：
mos管、igbt等，此处不作限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
81.可选地，针对三电平boost装置在其输入侧电压较高时存在的启动瞬间开关管过压击穿问题，在图4至图7的基础之上，请参见图14(仅以图6基础上为例进行展示)，本申请另一实施例提供的主电路，还包括：第三二极管d3。
82.第三二极管d3的阳极，与第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点相连。当单向导通器件101设置于两个开关管之间时，第三二极管d3的阳极与第一开关管q1的源极、单向导通器件101的输入端及飞跨电容cf远离第一极支路的一端相连；当单向导通器件101设置于第二开关管q2与第二极支路之间时，第三二极管d3的阳极与两个开关管的连接点及飞跨电容cf远离第一极支路的一端相连。第三二极管d3的阴极与主电路的输出母线中点(图14中的ne)相连。
83.在实际应用中，在主电路增设了第三二极管d3后，通过该第三二极管d3能够将第二开关管q2钳位至输出母线的下半母线电压，所以能够限制第二开关管q2的电压应力，保护第二开关管q2的电压应力不会超过下半母线电压。因此，能够在三电平boost装置上电启动、且第一开关管q1和第二开关管q2均处于断开状态时，保证第二开关管q2的电压被钳位至下半母线电压，以避免开关管不会因过压而击穿。
84.可选地，针对三电平boost装置在其输入侧电压较高时存在的启动瞬间开关管过压击穿问题，在图4至图7的基础之上，请参见图15(仅以图6基础上为例进行展示)，本申请另一实施例提供的主电路，还包括：预充电单元102以及第三可控开关k3。
85.其中，预充电单元102并联连接于飞跨电容cf的两端。
86.第三可控开关k3连接于第一开关管q1所在支路和第二开关管q2所在支路的连接点与飞跨电容cf之间。
87.第三可控开关k3的一端与飞跨电容cf远离第一极支路的一端相连。对于第三可控开关k3的另一端，当单向导通器件101设置于两个开关管之间时，其与第一开关管q1的源极和单向导通器件101的输入端相连；当单向导通器件101设置于第二开关管q2与第二极支路之间时，其与两个开关管的连接点相连。
88.在实际应用中，该预充电单元102在与其并联的飞跨电容cf连接的第三可控开关k3断开、且飞跨电容cf的电压小于预设阈值时，对飞跨电容cf进行充电；当飞跨电容cf的电压充电至预设阈值时，闭合第三可控开关k3，保证飞跨电容cf的电压不会低至0v，从而避免三电平boost装置在启动瞬间电压过高，对第二开关管q2造成过压击穿的问题。
89.需要说明的是，该第三可控开关k3可由常开型的开关以及开关的控制电路组成，常开型开关包括但不限定于继电器，接触器、半导体双向开关等。本申请对第三可控开关k3的具体类型不作限定，均属于本申请的保护范围。
90.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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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。
91.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间
存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。