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CN109039061A - 一种多电平boost装置 - Google Patents

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CN109039061A
CN109039061A CN201810993253.1A CN201810993253A CN109039061A CN 109039061 A CN109039061 A CN 109039061A CN 201810993253 A CN201810993253 A CN 201810993253A CN 109039061 A CN109039061 A CN 109039061A
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Sungrow Power Supply Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种多电平BOOST装置，通过设置N个分压模块实现N个第一开关之间的电压分配，能够避免第2个至第N个第一开关过压而击穿失效。并且通过在第i‑1和第i个第二开关之间的公共点设置第i‑1个钳位支路，以将第i个第二开关所承受的电压钳位在第四支路两端电压(也即该多电平BOOST装置的输出电压)与相应钳位支路两端电压之间的差值上，进而避免了当输入电压较低时的上电瞬间，第2个至第N个第二开关过压击穿的风险。

Description

一种多电平BOOST装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种多电平BOOST装置。
背景技术
随着电力电子变换器系统电压的上升，对相关开关器件的耐压要求也逐步提升，鉴于半导体工艺性能等方面的影响，多电平技术由于能够利用较低电压等级器件以较低的成本实现高电压的电力变化成为一个研究热点。
图1a所示为一种常见飞跨电容型三电平BOOST装置主电路拓扑，正常情况下，K1、K2、D1及D2的电压应力均为输出电压Vout的一半。然而该电路在启动时，各管两端耐受电压与稳态工作时差异较大，具体的：若输入电压Vin大于K2的耐受电压，则会导致K2过压而击穿失效；若输入电压Vin较低、输入输出电压差Vout-Vin大于D2的耐受电压，则会导致D2过压而击穿失效。因此，图1a所示方案在实际使用中限制性条件很大，无法充分发挥本拓扑的优点。
图1b所示为一种改进后的飞跨电容型三电平BOOST装置主电路拓扑，该电路可以较好的解决启动时输出电压Vout由输入电压Vin提供的情况下K1、K2启动时电压均分的问题；但在输出电压Vout本身较高，而输入电压Vin较低时，D2所承受的电压仍然为输入输出电压差Vout-Vin，因此，D2依旧存在过压击穿的风险。
发明内容
本发明提供一种多电平BOOST装置，以解决当输入电压较低时现有技术中在上电瞬间存在器件过压击穿的风险的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种多电平BOOST装置，所述多电平BOOST装置的主电路包括：输入电容、输入电感、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路及N-1个钳位支路，N为大于1的正整数；其中：
所述输入电感的一端与所述输入电容的一端相连；
所述输入电感的另一端分别与所述第一支路的一端及所述第二支路的一端相连；所述第一支路包括N个依次串联的第一开关，且与所述输入电感相连的第一开关为第1个第一开关；所述第二支路包括N个依次串联的第二开关，且与所述输入电感相连的第二开关为第1个第二开关；
第1和第2个第二开关之间的公共点，与所述第三支路的一端相连；所述第三支路包括N个依次串联的分压模块，用于对所述第三支路上的电压进行分配；
第i-1和第i个分压模块之间的公共点，与第i-1和第i个第一开关之间的公共点相连，i为大于1且小于等于N的正整数；
第1个分压模块包括第一电容；
第i-1和第i个第二开关之间的公共点，与第i-1个钳位支路的一端相连；第i-1个钳位支路用于分担第i个第二开关上的电压；
所述第二支路的另一端与所述第四支路的一端相连；所述第四支路的两端为所述主电路的输出端，且所述第四支路包括至少一个输出电容；
所述第一支路的另一端、所述第三支路的另一端、所述第四支路的另一端以及N-1个钳位支路的另一端，均与所述输入电容的另一端相连。
优选的，N＝2时，第2个分压模块包括：串联连接的第一可控开关和第一电阻；
且第1和第2个分压模块之间的公共点，与第1和第2个第一开关之间的公共点，通过第二可控开关实现连接。
优选的，N≥2时，第i个分压模块包括：串联连接的可控开关和第二电容；所述可控开关在默认状态下向所述第二电容充电；
且当N大于2时，所述多电平BOOST装置还包括N-1个连接电容，第j个连接电容的一端与第j+1和第j+2个第二开关之间的公共点相连，第j个连接电容的另一端与第j+1和第j+2个分压模块之间的公共点相连，j为小于N-1的正整数。
优选的，所述第一开关为逆导型晶体管；所述第二开关为二极管；各个可控开关为机械开关或者逆导型晶体管；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的正极线缆上，则第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的负极和第i个二极管的正极的连接点；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的负极线缆上，则第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的正极和第i个二极管的负极的连接点。
优选的，所述钳位支路包括：第一二极管和第一电源；所述第一电源用于分担相应第二开关上的电压。
优选的，若所述第四支路中包括N个依次串联连接的输出电容，且与所述输入电容相连的输出电容为第1个输出电容，与所述第二支路相连的输出电容为第N个输出电容，则所述钳位支路包括第一二极管；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的正极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：负极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，正极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的负极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：正极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，负极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连。
优选的，第i个分压模块还包括：与所述可控开关和所述第二电容串联连接的第一阻抗，所述第一阻抗为：电阻，电感，电容，或者，电阻、电感及电容中至少两种的组合。
优选的，当N等于2且所述第四支路中包括2个串联连接的输出电容时，所述多电平BOOST装置的控制器用于：
在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vout＝Vin之后，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关脉冲导通；再待Vc1>Vco1之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
所述主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对所述第二电容放电时，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关进行脉冲导通、所述可控开关常通；
其中，Vout为所述第四支路两端的电压，Vc1为所述第一电容两端的电压，Vc2为所述第二电容两端的电压，Vin为所述多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与所述输入电容相连的输出电容两端的电压。
优选的，当所述第一阻抗为电感时，所述第i个分压模块还包括：为所述电感提供放电回路的放电支路。
优选的，所述放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二阻抗；所述第二阻抗为：电阻，电容，或者，电阻及电容的组合。
优选的，所述放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二电源；所述第二电源用于接收所述电感中的电量。
优选的，若所述第四支路中包括多个依次串联连接的输出电容，则所述第二电源为所述第四支路中的全部或者部分输出电容。
优选的，当N等于2且所述第四支路中包括2个串联连接的输出电容时，所述多电平BOOST装置的控制器用于：
在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vout＝Vin之后，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关脉冲导通；再待Vc1>Vco1之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
所述主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对所述第二电容放电时，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关以周期T1进行脉冲导通、所述可控开关以周期T2进行脉冲导通；周期T2小于周期T1；
其中，Vout为所述第四支路两端的电压，Vc1为所述第一电容两端的电压，Vc2为所述第二电容两端的电压，Vin为所述多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与所述输入电容相连的输出电容两端的电压。
本发明提供的多电平BOOST装置，通过设置N个分压模块实现N个第一开关之间的电压分配，能够避免第2个至第N个第一开关过压而击穿失效。并且通过在第i-1和第i个第二开关之间的公共点设置第i-1个钳位支路，以将第i个第二开关所承受的电压钳位在第四支路两端电压(也即该多电平BOOST装置的输出电压)与相应钳位支路两端电压之间的差值上，进而避免了当输入电压较低时的上电瞬间，第2个至第N个第二开关过压击穿的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a和图1b是现有技术提供的两种多电平BOOST装置主电路的结构示意图；
图2a至图2d是本发明实施例提供的三电平BOOST装置主电路的两种结构示意图；
图2e是本发明实施例提供的五电平BOOST装置主电路的结构示意图；
图3a至图3d是本发明实施例提供的三电平BOOST装置主电路的两种具体结构示意图；
图3e是本发明实施例提供的五电平BOOST装置主电路的具体结构示意图；
图4a至4c是本发明实施例提供的三电平BOOST装置主电路的三种具体结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的三电平BOOST装置主电路中两个第一开关所接收的脉冲波形图；
图6a至图8d是本发明另一实施例提供的三电平BOOST装置主电路的九种具体结构示意图；
图9a是本发明另一实施例提供的三电平BOOST装置主电路中的电流流向示意图；
图9b是本发明另一实施例提供的三电平BOOST装置主电路中的电容电压仿真示意图；
图10a至图13是本发明另一实施例提供的三电平BOOST装置主电路中的多种电流流向示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种多电平BOOST装置，以解决当输入电压较低时现有技术中在上电瞬间存在器件过压击穿的风险的问题。
实际应用中，多电平BOOST装置一般包括主电路、电压电流检测装置以及控制器等；具体的，其主电路可以如图2a至图2e所示，包括：输入电容Cin、输入电感L1、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路及N-1个钳位支路，N为大于1的正整数；其中：
输入电感L1的一端与输入电容Cin的一端相连；
输入电感L1的另一端分别与第一支路的一端及第二支路的一端相连；第一支路包括N个依次串联的第一开关(如图2a、图2b、图2c和图2d中的K11和K12，或图2e中的K11、K12及K13)，且与输入电感L1相连的第一开关为第1个第一开关K11；第二支路包括N个依次串联的第二开关(如图2a、图2b、图2c和图2d中的D01和D02，或图2e中的D01、D02及D03)，且与输入电感L1相连的第二开关为第1个第二开关D01；
第1个第二开关D01和第2个第二开关D02之间的公共点，与第三支路的一端相连；第三支路包括N个依次串联的分压模块，用于对第三支路上的电压进行分配；
第i-1和第i个分压模块之间的公共点，与第i-1和第i个第一开关之间的公共点相连，i为大于1且小于等于N的正整数；
第1个分压模块包括第一电容C1；
第i-1和第i个第二开关之间的公共点，与第i-1个钳位支路的一端相连；第i-1个钳位支路用于分担第i个第二开关上的电压；如图2a、图2b、图2c和图2d所示，D01和D02之间的公共点与第1个钳位支路(包括D11和DC11)相连，第1个钳位支路用于分担第2个第二开关D02上的电压；如图2e所示，D01和D02之间的公共点与第1个钳位支路(包括D11和DC11)相连，第1个钳位支路用于分担第2个第二开关D02上的电压，D02和D03之间的公共点与第2个钳位支路(包括D12和DC12)相连，第2个钳位支路用于分担第3个第二开关D03上的电压；
第二支路的另一端与第四支路的一端相连；第四支路的两端为主电路的输出端，第四支路两端电压也即该主电路的输出电压；且第四支路包括至少一个输出电容(如图2a至图2e中的Cout)；
第一支路的另一端、第三支路的另一端、第四支路的另一端以及N-1个钳位支路的另一端，均与输入电容Cin的另一端相连。
如图2a和图2b所示，N＝2，此时，第2个分压模块包括：串联连接的第一可控开关K31和第一电阻R0；
且第1和第2个分压模块之间的公共点，与第1和第2个第一开关之间的公共点，通过第二可控开关K32实现连接。
如图2c至图2e所示，N≥2，第i个分压模块包括：串联连接的可控开关(如图2c和图2d中的K21，或图2e中的K21和K22)和第二电容(如图2c和图2d中的C21，或图2e中的C21和C22)；且可控开关在默认状态下向第二电容充电；实际应用中，可控开关和第二电容的位置可以互换，并不限定于图2c至图2e所示情况，均在本申请的保护范围内；
如图2e所示，当N大于2时，多电平BOOST装置还包括N-1个连接电容(如图2e中的C3)，第j个连接电容的一端与第j+1和第j+2个第二开关之间的公共点相连，第j个连接电容的另一端与第j+1和第j+2个分压模块之间的公共点相连，j为小于N-1的正整数。
实际应用中，可以设置第一开关为逆导型晶体管；第二开关为二极管；各个可控开关，如图2a和图2b中的K31和K32、图2c和图2d中的K21及图2e中的K21和K22，为常通型机械开关或者默认状态下为同一分压模块内第二电容充电的逆导型晶体管；该逆导型晶体管可以为MOSFET、JFET、集成反并二极管的IGBT等；此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
若输入电感L1和第二支路设置于多电平BOOST装置的正极线缆上，则如图2a和图2c所示，第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的负极和第i个二极管的正极的连接点；
若输入电感L1和第二支路设置于多电平BOOST装置的负极线缆上，则如图2b和图2d所示，第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的正极和第i个二极管的负极的连接点。
图2a和图2b互为对偶型拓扑，图2c和图2d互为对偶型拓扑，且图2a至图2d均为N＝2时的主电路拓扑，该主电路能够实现三电平输出；图2e为N＝3时的一种主电路拓扑，该主电路能够实现五电平输出；图2e的对偶型拓扑及N>3时的主电路拓扑可以依据上述情况进行类推，此处不再一一进行展示，均在本申请的保护范围内。
在输入低压、输出高压时，若采用图1b所示现有技术中的方案，则第2个第二开关D02可能承受输出电压与输入电压之间的压差，因此会造成其应力超标。
基于此，本实施例方案中增加一个钳位支路，且该钳位支路包括：第一二极管(如图2c中所示的D11)和第一电源(如图2c中所示的DC11)；以图2c为例进行说明，对于第二开关的过压保护原理为：该钳位支路通过分担第二开关D02上的电压，使第2个第二开关D02所承受的电压最高值调整为第四支路(包括Cout)两端电压(也即该多电平BOOST装置的输出电压)与钳位支路两端电压之间的差值，进而降低了第2个第二开关D02所承受的电压应力。
对于对偶型拓扑：比如在图2c中，输入电感L1和第二支路均设置于该多电平BOOST装置的正极线缆上，则第一二极管D11的负极与相应两个第二开关(D01和D02)之间的公共点相连，第一二极管D11的正极与第一电源DC11的正极相连，第一电源DC11的负极与输入电容Cin相连；在图2d中，输入电感L1和第二支路均设置于多电平BOOST装置的负极线缆上，则第一二极管D11的正极与相应两个第二开关(D01和D02)之间的公共点相连，第一二极管D11的负极与第一电源DC11的负极相连，第一电源DC11的正极与输入电容Cin相连。对于五电平拓扑，如图2e所示情况，则在图2c的基础之上增加K22、C22、D03、D12、DC12及C3，各器件之间的连接方式参见图2e，此处不再赘述。另外，图2a、图2b、图2d和图2e所示拓扑以及其他拓扑中的原理与上述内容相似，可以类推得到，此处不再一一赘述。
在具体的实际应用中，对于第一电源的选择，并不做具体限定，其可以是额外的电源，也可以是以该多电平BOOST装置主电路输出电压中的一部分作为该第一电源，用于分担相应第二开关上的电压，也即：若第四支路中包括N个依次串联连接的输出电容(如图3a、图3b、图3c和图3d中的Co1和Co2，以及，图3e中的Co1、Co2和Co3)，且与输入电容Cin相连的输出电容为第1个输出电容(如图3a至图3e中的Co1)，与第二支路相连的输出电容为第N个输出电容(如图3a至图3d中的Co2，以及，图3e中的Co3)，则钳位支路包括第一二极管；
若输入电感L1和第二支路设置于多电平BOOST装置的正极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：负极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，正极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连；如图3a、图3c和图3e所示，对于D11而言，其负极与D01和D02之间的公共点相连，其正极与Co1和Co2之间的公共点相连；如图3e所示，对于D12而言，其负极与D02和D03之间的公共点相连，其正极与Co2和Co3之间的公共点相连；
若输入电感L1和第二支路设置于多电平BOOST装置的负极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：正极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，负极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连；如图3b和图3d所示，对于D11而言，其正极与D01和D02之间的公共点相连，其负极与Co1和Co2之间的公共点相连。
图3a为在图2a基础上的展示，图3b为在图2b基础上的展示，图3c为在图2c基础上的展示，图3d为在图2d基础上的展示，图3e为在图2e基础上的展示，对于其他拓扑的钳位支路设置，可以以此类推得到，此处不再一一赘述。
而本实施例对于第一开关的过压保护原理为：
在图2a所示拓扑中，启机时由控制器控制第一可控开关K31闭合，则输入电压能够通过第一可控开关K31和第一电阻R0为第一电容C1进行预充电；待第一电容C1上的电压充至合适的阈值时，由控制器控制第二可控开关K32闭合、第一可控开关K31断开，使第1个第一开关K11与第一电容C1并联，从而升高第1个第一开关K11两端的电压、降低第2个第一开关K12两端的电压，使两个第一开关两端的电压均处于安全范围内，进而保证启机时第2个第一开关K12不至过压而击穿损坏。
在图2c至图2e所示拓扑中，以图2c所示拓扑为例进行说明，由于两个第一开关K11、K12的寄生电容相比于第一电容C1、第二电容C21小很多，可以忽略启动时其对第一电容C1和第二电容C21对输入电压的分压，因此这两个第一开关K11、K12各自承受的电压分别由第一电容C1和第二电容C21两端的电压决定，这便解决图1a所示现有技术中输入电压完全由K12承受的问题。
综上，本实施例提供的该多电平BOOST装置，通过在第i-1和第i个第二开关之间的公共点设置第i-1个钳位支路，以将第i个第二开关所承受的电压钳位在第四支路两端电压(也即该多电平BOOST装置的输出电压)与相应钳位支路两端电压之间的差值上，进而避免了当输入电压较低时的上电瞬间，第2个至第N个第二开关过压击穿的风险。并且，通过设置N个分压模块实现N个第一开关之间的电压分配，能够避免第2个至第N个第一开关过压而击穿失效。也即，本实施例通过采用较少的器件能够解决传统飞跨电容型多电平BOOST电路开关管电压应力超标的问题，所有开关管均可选择更低耐压的器件，并使得电路在较宽的输入范围内保证系统可靠运行。因电路工作于多电平状态，相关滤波器件体积成本可以得到较好的控制，使得系统在性价比方面具有较大的优势。
上述实施例所示方案，该多电平BOOST装置的主电路处于工作状态时，在一些特殊工况下其各个分压模块中第二电容(如图2c、图2d、图3c和图3d中所示的C21，以及图2e和图3e中所示的C21和C22)上的电压已超过设定限值，并且第一电容以及各个第二电容上的电压之和超过了主电路的输出电压，此时，若导通各个分压模块中的可控开关以对相应第二电容进行放电，则会因为回路阻抗过小而引起较大电流尖峰，并对回路中的各个第二开关和可控开关造成伤害。
基于上述内容，本发明另一实施例提供了另外一种多电平BOOST装置，在上述实施例的基础之上，优选的，其第i个分压模块还包括：与可控开关和第二电容串联连接的第一阻抗(如图4a所示的Z1)，该第一阻抗为：电阻(如图4b所示的R1)，电感(如图4c所示的L2)，电容(未进行图示)，或者，电阻、电感及电容中至少两种的组合(未进行图示)。
本实施例中通过增加回路阻抗，可以解决可控开关导通对相应第二电容进行放电所带来的电流冲击问题。
实际应用中，可控开关、第一阻抗和第二电容的位置可以互换，并不限定于图4a至图4c所示情况，均在本申请的保护范围内；并且，图4a至图4c均为在图2c所示拓扑基础之上进行的展示，对于其他拓扑的分压模块结构可以类推得到，此处不再一一展示。
以图4c所示拓扑为例，N＝2且第四支路中包括2个串联连接的输出电容Co1和Co2，此时，该多电平BOOST装置的控制器用于：
在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断，待Vout＝Vin之后，控制主电路进入正常工作状态；
在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制第一支路中的两个第一开关K11和K12交错脉冲导通，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制主电路进入正常工作状态；
在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制第一支路中的第2个第一开关K12关断、第1个第一开关K11脉冲导通；再待Vc1>Vco1之后，控制第一支路中的两个第一开关K11和K12交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制主电路进入正常工作状态；
主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对第二电容放电时，控制第一支路中的第2个第一开关K12关断、第1个第一开关K11进行脉冲导通、可控开关K21常通；
其中，Vout为第四支路两端的电压，Vc1为第一电容两端的电压，Vc2为第二电容两端的电压，Vin为多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与输入电容Cin相连的输出电容两端的电压。
主电路进入正常工作状态时，K11和K12交错脉冲导通，两个开关的脉冲波形参见图5，T为脉冲周期，D为脉冲占空比。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
在图4c所示应用案例中，如K21导通则会在电感L2上形成电流，在K21关断时如不增加续流回路，则会在电感L2上激发极高的电压并损坏K21。因此，本发明另一实施例提出另一多电平BOOST装置，在上述实施例的基础之上，优选的，当第一阻抗为电感时，第i个分压模块还包括：为电感提供放电回路的放电支路；以解决因第二电容过充，放电使用电感抑制电流过冲问题而带来的电感无续流回路问题。
该放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二阻抗，如图6a中所示的D21和Z2；该第二阻抗Z2可以为：电阻(如图6b所示的R2)，电容(未进行图示)，或者，电阻及电容的组合(未进行图示)。
实际应用中，第二二极管和第二阻抗的位置可以互换，并不限定于图6a和图6b所示情况，均在本申请的保护范围内；并且，图6a和图6b均为在图4c所示拓扑基础之上进行的展示，对于其他拓扑的放电支路结构可以类推得到，此处不再一一展示。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
在图6a和图6b所示方案中续流电感L2上的能量需通过电阻器件等进行泄放，会造成额外损耗。因此，本发明另一实施例提出另一多电平BOOST装置，在上述实施例的基础之上，优选的，该放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二电源；第二电源用于接收电感中的电量。
参见图7a，其电感L2的放电支路包括：第二二极管D21和第二电源DC21，该第二电源DC21能够通过第二二极管D21接收电感L2中的电量，并将该能量再次利用。
更为优选的，若第四支路中包括多个依次串联连接的输出电容，则第二电源为第四支路中的全部或者部分输出电容，则能够在关机时为第二电容提供放电通道，提高系统的安全性。
如图7b所示，其第二二极管D21能够将电感L2中的能量回馈至总母线(Cout可以是一个电容也可以是多个电容的等效形式)中。如图7c所示，其第二二极管D21能够将电感L2中的能量回馈至部分母线(Co1)中。同时在系统下电时，其第二二极管D21还能够为第二电容C21提供一个放电回路。
对于其他拓扑带电源的放电支路结构可以类推得到，此处不再一一展示。
实际应用中，结合分压模块、带电源的钳位支路以及带电源的放电支路，则可以同时确保对于各个第一开关在启动时的均压问题、第二电容在放电时容易出现的冲击电流问题、分压模块中电感续流的能量回收问题，以及，系统断电时第二电容上的能量泄放问题和相应第二开关耐压问题的解决。
在图3c的基础之上结合图7b中的电感L2及其放电支路，可以得到图8a所示方案，图8b为以逆导型开关器件IGBT替代各开关管的方案展示，图8c为图8a的对偶型拓扑。对于更多电平的拓扑可以类推得到，此处不再一一展示。
以下以图8b为例说明本实施例在以下几个典型工况下的工作过程及其控制器的控制策略，并在图8b基础上增加输出负载Zload，如图8d所示。且为方便说明，做以下设定：C1＝C21，3×Co2＝Co1，L2<<L1，具体实施时并不仅限于此，还可依据实际需求做相应调整，均在本申请的保护范围内。
具体的，工况1为：在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断；Vin通过限流电阻(图中未示出)和L1，分别对L2+C21、Co1和Co2进行充电；由于设计中L2远小于L1，因此L2上的压降可以忽略；同时因启动电阻及负载Zload的存在，L1与C1，L2+C21，Co1，Co2形成的振荡电压较小；其电流回路如图9a所示，稳态后各电压如下：Vc1＝Vc2＝Vin/2，Vout＝Vin，4×Vco2＝3×Vin，4×Vco1＝Vin，仿真结果如图9b所示；然后，即可控制主电路进入正常工作状态。
工况2为：在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，初始时对C1、C21的充电过程与上一工况相同，即首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断；但是由于Vin≤Vout，不会对输出电压进行充电，同时相关点电压关系为：Vout≤2×Vin，Vco1＝Vout/4，Vc1＝Vc2＝Vin/2，Vco1≤Vc1，Vco1≤Vc2；待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制第一支路中的两个第一开关K11和K12交错脉冲导通(脉冲波形如图5所示)，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制主电路进入正常工作状态；图10a为K11导通、K12关断，Vin给L1充电并同时给C1放电、C21充电；图10b为K11、K12均关断，L1对C1、C21充电；图10c为K12导通、K11关断，Vin给L1充电，同时给C1充电。
工况3为：在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，初始时对C1、C21的充电过程与工况2相同，即首先控制第一支路中的两个第一开关K11和K12均关断；但是由于Vin低，C1两端电压不高于Co1两端电压，如依照工况2的方式进行脉冲充电则会有Co1直接对C1进行充电问题，此时回路阻抗极低，容易造成回路中器件D11、K22的损坏，因此必须通过特殊逻辑对C1进行预充电，并使得其两端电压高于Co1两端电压后再切入工况2的启动过程。即待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制第一支路中的第2个第一开关K12关断、第1个第一开关K11脉冲导通；K11在导通状态时，Vin对L1和L2及C21进行充电，电流方向如图11a所示；K12在关断状态时，L1对C1和C21进行充电，电流方向如图11b所示；反复图11a和图11b两种充电形式，进而实现对C1的升压充电，直至Vc1>Vco1，控制第一支路中的两个第一开关K11和K12交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制主电路进入正常工作状态。
工况4为：主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对第二电容C21放电时，控制第一支路中的第2个第一开关K12关断、第1个第一开关K11以周期T1进行脉冲导通、可控开关K21以周期T2进行脉冲导通；周期T2小于周期T1；在此过程中，可以有表1所示四种情况，各种情况下的电流流向图则为图12a、图12b、图12c及图12d所示。由于L2的存在可以有效的抑制放电电流，同时在L2中的能量又通过D21回馈至输出端，实现了无损放电。
表1
K11 K12 K21 电流流向图
OFF OFF ON 图12a
OFF OFF OFF 图12b
ON OFF ON 图12c
ON OFF OFF 图12d
工况5为：主电路在正常工作状态下，某一时刻移除Vin，则在母线侧会通过一些特殊的放电电路对系统内部储能装置进行放电，以保护维修人员的安全；若本电路中Vin和Vout均未低于C1和C21两端电压之和，则C1与C21均无相关放电回路；但当Vout低于C1和C21两端电压之和时，C1将会通过K12和D02与输出相连进行放电，而C21将通过D31与输出相连进行放电，电流流向参见图13。
其中，Vout为第四支路两端的电压，也即主电路的输出电压，Vc1为第一电容两端的电压，Vc2为第二电容两端的电压，Vin为多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与输入电容Cin相连的输出电容两端的电压。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种多电平BOOST装置，其特征在于，所述多电平BOOST装置的主电路包括：输入电容、输入电感、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路及N-1个钳位支路，N为大于1的正整数；其中：
所述输入电感的一端与所述输入电容的一端相连；
所述输入电感的另一端分别与所述第一支路的一端及所述第二支路的一端相连；所述第一支路包括N个依次串联的第一开关，且与所述输入电感相连的第一开关为第1个第一开关；所述第二支路包括N个依次串联的第二开关，且与所述输入电感相连的第二开关为第1个第二开关；
第1和第2个第二开关之间的公共点，与所述第三支路的一端相连；所述第三支路包括N个依次串联的分压模块，用于对所述第三支路上的电压进行分配；
第i-1和第i个分压模块之间的公共点，与第i-1和第i个第一开关之间的公共点相连，i为大于1且小于等于N的正整数；
第1个分压模块包括第一电容；
第i-1和第i个第二开关之间的公共点，与第i-1个钳位支路的一端相连；第i-1个钳位支路用于分担第i个第二开关上的电压；
所述第二支路的另一端与所述第四支路的一端相连；所述第四支路的两端为所述主电路的输出端，且所述第四支路包括至少一个输出电容；
所述第一支路的另一端、所述第三支路的另一端、所述第四支路的另一端以及N-1个钳位支路的另一端，均与所述输入电容的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的多电平BOOST装置，其特征在于，N＝2时，第2个分压模块包括：串联连接的第一可控开关和第一电阻；
且第1和第2个分压模块之间的公共点，与第1和第2个第一开关之间的公共点，通过第二可控开关实现连接。
3.根据权利要求1所述的多电平BOOST装置，其特征在于，N≥2时，第i个分压模块包括：串联连接的可控开关和第二电容；所述可控开关在默认状态下向所述第二电容充电；
且当N大于2时，所述多电平BOOST装置还包括N-1个连接电容，第j个连接电容的一端与第j+1和第j+2个第二开关之间的公共点相连，第j个连接电容的另一端与第j+1和第j+2个分压模块之间的公共点相连，j为小于N-1的正整数。
4.根据权利要求2或3所述的多电平BOOST装置，其特征在于，所述第一开关为逆导型晶体管；所述第二开关为二极管；各个可控开关为机械开关或者逆导型晶体管；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的正极线缆上，则第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的负极和第i个二极管的正极的连接点；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的负极线缆上，则第i-1和第i个第二开关之间的公共点为：第i-1个二极管的正极和第i个二极管的负极的连接点。
5.根据权利要求1-3任一所述的多电平BOOST装置，其特征在于，所述钳位支路包括：第一二极管和第一电源；所述第一电源用于分担相应第二开关上的电压。
6.根据权利要求1-3任一所述的多电平BOOST装置，其特征在于，若所述第四支路中包括N个依次串联连接的输出电容，且与所述输入电容相连的输出电容为第1个输出电容，与所述第二支路相连的输出电容为第N个输出电容，则所述钳位支路包括第一二极管；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的正极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：负极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，正极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连；
若所述输入电感和所述第二支路设置于所述多电平BOOST装置的负极线缆上，则第i-1个钳位支路中的第一二极管：正极与第i-1和第i个第二开关之间的公共点相连，负极与第i-1和第i个输出电容之间的公共点相连。
7.根据权利要求3所述的多电平BOOST装置，其特征在于，第i个分压模块还包括：与所述可控开关和所述第二电容串联连接的第一阻抗，所述第一阻抗为：电阻，电感，电容，或者，电阻、电感及电容中至少两种的组合。
8.根据权利要求7所述的多电平BOOST装置，其特征在于，当N等于2且所述第四支路中包括2个串联连接的输出电容时，所述多电平BOOST装置的控制器用于：
在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vout＝Vin之后，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关脉冲导通；再待Vc1>Vco1之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
所述主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对所述第二电容放电时，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关进行脉冲导通、所述可控开关常通；
其中，Vout为所述第四支路两端的电压，Vc1为所述第一电容两端的电压，Vc2为所述第二电容两端的电压，Vin为所述多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与所述输入电容相连的输出电容两端的电压。
9.根据权利要求7所述的多电平BOOST装置，其特征在于，当所述第一阻抗为电感时，所述第i个分压模块还包括：为所述电感提供放电回路的放电支路。
10.根据权利要求9所述的多电平BOOST装置，其特征在于，所述放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二阻抗；所述第二阻抗为：电阻，电容，或者，电阻及电容的组合。
11.根据权利要求9所述的多电平BOOST装置，其特征在于，所述放电支路包括：串联连接的第二二极管和第二电源；所述第二电源用于接收所述电感中的电量。
12.根据权利要求11所述的多电平BOOST装置，其特征在于，若所述第四支路中包括多个依次串联连接的输出电容，则所述第二电源为所述第四支路中的全部或者部分输出电容。
13.根据权利要求12所述的多电平BOOST装置，其特征在于，当N等于2且所述第四支路中包括2个串联连接的输出电容时，所述多电平BOOST装置的控制器用于：
在Vout＝Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vout＝Vin之后，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/2≤Vin≤Vout且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通，直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
在Vout/4≤Vin≤Vout/2且Vc1＝Vc2＝0的情况下切入Vin时，首先控制所述第一支路中的两个第一开关均关断，待Vc1＝Vc2＝Vin/2之后，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关脉冲导通；再待Vc1>Vco1之后，控制所述第一支路中的两个第一开关交错脉冲导通；直至Vc1+Vc2＝Vout，控制所述主电路进入正常工作状态；
所述主电路在正常工作状态且Vc1＝Vout/2<Vc2的情况下对所述第二电容放电时，控制所述第一支路中的第2个第一开关关断、第1个第一开关以周期T1进行脉冲导通、所述可控开关以周期T2进行脉冲导通；周期T2小于周期T1；
其中，Vout为所述第四支路两端的电压，Vc1为所述第一电容两端的电压，Vc2为所述第二电容两端的电压，Vin为所述多电平BOOST装置的输入电压，Vco1为与所述输入电容相连的输出电容两端的电压。
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