一种三电平BOOST装置及其控制方法

技术领域

本申请属于电力电子和新能源发电技术技术领域，具体涉及一种三电平BOOST装置及其控制方法。

背景技术

在1500V光伏系统应用场景，考虑到IGBT耐压问题，直流升压部分需要使用三电平BOOST拓扑，主流方案为双BOOST三电平电路和飞跨电容三电平BOOST。双BOOST三电平电路技术路线，如果采用交错发波，系统共模电流会很大，实际应用中，一般采取同步发波控制方案，电感值较高，即使采用耦合电感设计，仍然存在相同纹波电流设计下电感体积大、成本高等缺点，不方便设计与成套。因此，目前的研究主要集中在如何对飞跨电容三电平BOOST电路进行优化，但双BOOST三电平电路和飞跨电容三电平电路都是基于输出侧直流电容直接串联的设计思路进行电路设计的，存在不能同时实现交错发波和电感值的优化。

发明内容

为此，本申请提供了一种三电平BOOST装置及其控制方法，旨在解决现有三电平BOOST电路不能同时实现交错发波和电感值优化，以及电感体积较大、设备成本高的问题。

为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种三电平BOOST装置，所述三电平BOOST装置的主电路包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管和第二二极管；

所述第一电感的第一端连接电源的正极，所述第一电感的第二端连接第一节点；所述第一电容的第一端连接第一节点，所述第一电容的第二端连接第三节点；所述第一开关管的第一端连接第一节点，所述第一开关管的第二端连接第二节点；

所述第二电容的第一端连接第二节点，所述第二电容的第二端连接第四节点；所述第三电容的第一端连接第二节点，所述第三电容的第二端连接BOOST装置的输出正极；所述第二开关管的第一端连接第二节点，所述第二开关管的第二端连接第三节点；

所述第三开关管的第一端连接连接第三节点，所述第三开关管的第二端连接第四节点；所述第四电容的第一端连接第三节点，所述第四电容的第二端连接所述BOOST装置的输出负极；

所述第一二极管的正极连接第一节点，所述第一二极管的负极连接BOOST装置的输出正极；所述第二二极管的正极连接所述BOOST装置的输出负极，所述第二二极管的负极连接第四节点；

所述第二电感的第一端连接第四节点，所述第二电感的第二端连接所述电源的负极。

进一步地，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均为IGBT。

进一步地，所述第二开关管的导通状态与所述第一开关管和第三开关管的导通状态相互交错。

进一步地，所述第一开关管与第三开关管的占空比相同。

进一步地，所述第一开关管与第三开关管对应的驱动信号周期相同。

进一步地，还包括第一限流元件和第二限流元件，第一限流元件设置在所述第一电容与第一二极管或所述第一电容与第二开关管之间的电路上；第二限流元件设置在所述第二电容与第二二极管或所述第二电容与第二开关管之间的电路上。

进一步地，所述第一限流元件和第二限流元件均为电感、电阻中的一种或多种。

第二方面，本申请提供一种三电平BOOST装置的控制方法，所述控制方法应用于第一方面提供的一种三电平BOOST装置，所述控制方法包括：

S1：当三电平BOOST装置的主电路输入端正负极之间带电之后，控制第一开关管和第三开关管同时导通，并断开第二开关管，利用主电路输入端正负极之间的电压分别为第一电容和第二电容预充电；

S2：调整第一开关管和第三开关管的占空比，使得第一电容与第二电容之间保持电压均衡；

S3：第一电容和第二电容预充电完毕后，控制第一开关管和第三开关管断开，并导通第二开关管，利用第一电容的电压为第三电容预充电，同时利用第二电容的电压为第四电容预充电；

S4：调整第二开关管的占空比，使得第一电容与第三电容、第二电容与第四电容之间保持电压均衡。

本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

通过本申请提供的三电平BOOST装置，其主电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管和第二二极管。其中，第一电感的第一端连接电源的正极，所述第一电感的第二端连接第一节点；所述第一电容的第一端连接第一节点，所述第一电容的第二端连接第三节点；所述第一开关管的第一端连接第一节点，所述第一开关管的第二端连接第二节点；

所述第二电容的第一端连接第二节点，所述第二电容的第二端连接第四节点；所述第三电容的第一端连接第二节点，所述第三电容的第二端连接BOOST装置的输出正极；所述第二开关管的第一端连接第二节点，所述第二开关管的第二端连接第三节点；

所述第三开关管的第一端连接连接第三节点，所述第三开关管的第二端连接第四节点；所述第四电容的第一端连接第三节点，所述第四电容的第二端连接所述BOOST装置的输出负极；

所述第一二极管的正极连接第一节点，所述第一二极管的负极连接BOOST装置的输出正极；第二二极管的正极连接所述BOOST装置的输出负极，所述第二二极管的负极连接第四节点；第二电感的第一端连接第四节点，所述第二电感的第二端连接所述电源的负极。在上述的主电路结构中，装置通过控制第一开关管和第三开关管导通，断开第二开关管，利用主电路输入端正负极之间的电压分别为第一电容和第二电容预充电，同时在第一电容和第二电容预充电完毕后，断开第一开关管和第三开关管，并接通第二开关管，利用第一电容和第二电容的电压来分别为第三电容和第四电容预充电。本申请方案选择在高压侧不直接串联电容的方式来设计三电平BOOST电路结构，能够实现交错发波，同时还能减小电感纹波电流，降低电感值和设备体积。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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1是根据一示例性实施例示出的三电平BOOST装置电路结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的第二电容预充电电流的方向示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的第一电容预充电电流的方向示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的第三电容预充电电流的方向示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的第四电容预充电电流的方向示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的三电平BOOST装置的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

请参阅图1，图1是根据一示例性实施例示出的三电平BOOST装置电路结构示意图，图中，Udc

其中，所述第一电感Lm1的第一端连接电源的正极，所述第一电感Lm1的第二端连接第一节点；所述第一电容C1的第一端连接第一节点，所述第一电容C1的第二端连接第三节点；所述第一开关管S1的第一端连接第一节点，所述第一开关管S1的第二端连接第二节点。

所述第二电容C2的第一端连接第二节点，所述第二电容C2的第二端连接第四节点；所述第三电容C3的第一端连接第二节点，所述第三电容C3的第二端连接BOOST装置的输出正极；所述第二开关管S2的第一端连接第二节点，所述第二开关管S2的第二端连接第三节点。

所述第三开关管S3的第一端连接连接第三节点，所述第三开关管S3的第二端连接第四节点；所述第四电容C4的第一端连接第三节点，所述第四电容C4的第二端连接所述BOOST装置的输出负极。

所述第一二极管D1的正极连接第一节点，所述第一二极管D1的负极连接BOOST装置的输出正极；所述第二二极管D2的正极连接所述BOOST装置的输出负极，所述第二二极管D2的负极连接第四节点。

所述第二电感Lm2的第一端连接第四节点，所述第二电感Lm2的第二端连接所述电源的负极。

进一步地，在一个实施例中，所述第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3均为IGBT。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由(Bipolar Junction Transistor，BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(Metal OxideSemiconductor，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(Giant Transistor，GTR)的低导通压降两方面的优点，同时还具有尺寸小、低导通、成本低的优点。本申请方案利用IGBT来导通电路，可减小设备的体积并降低设备成本。此外，也可以采用其他开关器件来控制电路的导通与断开，此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

进一步地，在一个实施例中，由于第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3都采用的是IGBT器件。因此，为了能够实现交错发波，本申请方案中所述第二开关管S2的导通状态与所述第一开关管S1和第三开关管S3的导通状态相互交错。同时，所述第一开关管S1与第三开关管S3的占空比相同，第一开关管S1与第三开关管S3对应的驱动信号周期相同。

具体的，在上述电路结构设计下，如图2所示，本申请方案在主电路输入端正负极之间带电之后，通过控制第一开关管S1的通断，即可在启机时以主电路输入端正负极之间的电压为第二电容C2进行预充电。

具体的，如图3所示，本申请方案通过控制第三开关管S3的通断，以主电路输入端正负极之间的电压为第一电容C1进行预充电。

具体的，如图4和图5所示，本申请方案通过控制第二开关管S2的通断，以第一电容C1的电压为第三电容C3进行预充电、以第二电容C2的电压为第四电容C4进行预充电。图2～图5中，带箭头的虚线表示电流方向。

进一步的，在一个实施例中，本申请方案可以通过调整第一开关管S1、第三开关管S3的占空比，实现第二电容C2和第一电容C1的电压均衡；还可以通过调整第二开关管S2的占空比，实现第一电容C1和第三电容C3、第二电容C2和第四电容C4的电压均衡。第一开关管S1、第二开关管S2第三开关管S3的占空比和驱动周期可以根据第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4的容量进行设定，只需满足四个电容之间的电压均衡即可，此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

进一步地，在一个实施例中，本申请方案为了实现第三电容C3C3的平稳充电提供的三电平BOOST装置还包括第一限流元件和第二限流元件。其中，第一限流元件设置在所述第一电容C1与第一二极管D1或所述第一电容C1与第二开关管S2之间的电路上；第二限流元件设置在所述第二电容C2与第二二极管D2或所述第二电容C2与第二开关管S2之间的电路上。其中，第一限流元件和第二限流元件均为电感、电阻中的一种或多种，也可以采用其他限流元器件，此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

请参照图6，本申请方案还提供了一种三电平BOOST装置的控制方法，该控制方法应用于本申请提供的三电平BOOST装置，所述控制方法包括：

S1：当三电平BOOST装置的主电路输入端正负极之间带电之后，控制第一开关管S1和第三开关管S3同时导通，并断开第二开关管S2，利用主电路输入端正负极之间的电压分别为第一电容C1和第二电容C2预充电；

S2：调整第一开关管S1和第三开关管S3的占空比，使得第一电容C1与第二电容C2之间保持电压均衡；

S3：第一电容C1和第二电容C2预充电完毕后，控制第一开关管S1和第三开关管S3断开，并导通第二开关管S2，利用第一电容C1的电压为第三电容C3预充电，同时利用第二电容C2的电压为第四电容C4预充电；

S4：调整第二开关管S2的占空比，使得第一电容C1与第三电容C3、第二电容C2与第四电容C4之间保持电压均衡。

本申请方案选择在高压侧不直接串联电容的方式来设计三电平BOOST电路结构，同时分别对第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3的导通状态和占空比进行控制调整。能够实现交错发波，同时还能减小电感纹波电流，降低电感值和设备体积。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”、“多”的含义是指至少两个。

应该理解，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接；使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为：表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。