CN114710021B - 一种悬浮电容三电平boost变换器及其启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬浮电容三电平BOOST变换器及其启动控制方法，该启动控制方法，在该悬浮电容三电平BOOST变换器中主电路的输入电压小于主电路中悬浮电容的启机阈值时，先控制预充电电路以输入电压为悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压；再通过控制主电路中的两个开关管工作，为悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，进而使悬浮电容电压达到启机阈值，即可控制主电路正常工作，确保输入电压较低的三电平BOOST电路也能够正常工作。

Description

一种悬浮电容三电平BOOST变换器及其启动控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种悬浮电容三电平BOOST变换器及其启动控制方法。

背景技术

为提高光伏组件的发电效能，光伏发电系统通常在光伏阵列和逆变器直流母线之间加入一级升压单元，如图1所示，该升压单元通常由多个DC/DC变换器通过输出端并联而成。

对于该DC/DC变换器的具体电路选择，与两电平BOOST电路相比，三电平BOOST电路的功率器件电压应力减半，从而可以用较低耐压等级的功率器件实现较高等级的电压输出，且因其输入电流纹波大幅减小，可以大大降低电感的体积和成本，因此，三电平BOOST电路在高压光伏系统中有着广泛应用前景。

为了避免三电平BOOST电路在上电瞬间出现开关管过压击穿的问题，现有技术存在一种方案是以其输入电压对其悬浮电容进行预充电，以平衡上电瞬间两个开关管对于输入电压的承担大小；但是，当多个三电平BOOST电路并联应用时，不排除个别BOOST电路因其所接光伏组件受到遮挡等问题影响，而导致其输入电压较低，此时，无法保证该BOOST电路能够将其悬浮电容充电至启机阈值，进而影响该BOOST电路正常工作。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种悬浮电容三电平BOOST变换器及其启动控制方法，以使输入电压较低的三电平BOOST电路能够正常工作。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，所述悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路包括：依次设置于一极传输支路中的电感、第一二极管和第二二极管，串联连接于所述电感与所述第一二极管的连接点及另一极传输支路之间的第一开关管和第二开关管，设置于两个二极管连接点与两个开关管连接点之间的悬浮电容，以及，以所述主电路的输入电压为所述悬浮电容充电的预充电电路；所述启动控制方法包括：

在所述输入电压小于所述悬浮电容的启机阈值时，控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压；

控制所述第一开关管和所述第二开关管工作，为所述悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值；

控制所述主电路正常工作。

可选的，控制所述第一开关管和所述第二开关管工作，为所述悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值，包括：

确定所述第一开关管和所述第二开关管的调制占空比和起始相位差；

确定所述第一开关管和所述第二开关管的开通时长；其中，与所述悬浮电容连接至同一极传输支路的所述第一开关管的开通时长，小于所述第二开关管的开通时长；

根据所述调制占空比、所述起始相位差以及两个所述开通时长，生成两个调制信号并分别输出至相应的开关管，直至所述悬浮电容电压达到所述启机阈值。

可选的，所述调制占空比，与两个所述开关管在正常工作时的调制占空比相同；

所述起始相位差，与所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的起始相位差相同。

可选的，确定所述第一开关管和所述第二开关管的开通时长，包括：

计算所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的正常开通时长；

在所述正常开通时长的基础上减少一个预设时长，得到所述放电时长，作为所述第一开关管的开通时长；

在所述正常开通时长的基础上增加一个所述预设时长，得到所述充电时长，作为所述第二开关管的开通时长。

可选的，控制所述主电路正常工作，包括：

确定所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的调制占空比、起始相位差及正常开通时长；

根据所述调制占空比、所述起始相位差及所述正常开通时长，生成并输出两个调制信号至相应开关管。

可选的，确定所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的调制占空比、起始相位差及正常开通时长，包括：

以所述主电路的升压值与输出电压之比，作为所述调制占空比；

以所述调制占空比与调制周期之积，作为所述正常开通时长；

以所述调制周期的一半，作为所述起始相位差。

可选的，所述主电路的输出端连接逆变器的直流母线；

在控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电之前，还包括：获取所述输入电压、所述悬浮电容电压以及所述直流母线的母线电压；

所述启机阈值为：所述母线电压的一半。

可选的，所述主电路中，两个开关管的连接点与所述悬浮电容之间，设置有第一可控开关；且所述预充电电路包括：设置于所述悬浮电容与所述主电路的输出端负极或输出端中点之间、串联连接的第二可控开关和电阻；所述启动控制方法中，控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压，包括：

控制所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关闭合；

判断所述悬浮电容电压是否达到所述预设电压；

若是，则控制所述第一可控开关闭合，并控制所述第二可控开关断开。

可选的，所述预设电压处于所述输入电压的预设范围内。

可选的，还包括：

在所述输入电压大于等于所述启机阈值时，以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值；

再执行控制所述主电路正常工作的步骤。

本申请第二方面提供了一种悬浮电容三电平BOOST变换器，包括：主电路和控制器；其中，

所述主电路为悬浮电容三电平BOOST电路，包括：电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、悬浮电容、预充电电路、输入电容及输出电容；

所述电感、所述第一二极管和所述第二二极管，依次设置于一极传输支路中；所述电感的另一端作为所述主电路的输入端相应极，所述第二二极管的另一端作为所述主电路的输出端相应极；

所述电感与所述第一二极管的连接点，依次通过所述第一开关管及所述第二开关管，连接另一极传输支路；

所述悬浮电容的一端，与所述第一开关管和所述第二开关管的连接点相连；所述悬浮电容的另一端，与所述第一二极管和所述第二二极管的连接点相连；

所述预充电电路用于以所述主电路的输入电压为所述悬浮电容充电；

所述输入电容设置于所述主电路的输入端正负极之间，所述输出电容设置于所述主电路的输出端正负极之间；

所述第一开关管、所述第二开关管及所述预充电电路，均受控于所述控制器，所述控制器用于执行如上述第一方面任一种所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法。

可选的，所述第一开关管与所述第二开关管的连接点与所述悬浮电容之间，设置有第一可控开关；

所述预充电电路包括：串联连接的第二可控开关和电阻，串联后的支路设置于所述悬浮电容与所述主电路的输出端负极或输出端中点之间；

所述第一可控开关及所述第二可控开关，均受控于所述控制器。

可选的，所述第一可控开关为常开继电器或者功率半导体开关管，所述第二可控开关为常闭继电器或者功率半导体开关管。

本申请提供的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其在该悬浮电容三电平BOOST变换器中主电路的输入电压小于主电路中悬浮电容的启机阈值时，先控制预充电电路以输入电压为悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压；再通过控制主电路中的两个开关管工作，为悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，进而使悬浮电容电压达到启机阈值，即可控制主电路正常工作，确保输入电压较低的三电平BOOST电路也能够正常工作。

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1是现有技术提供的光伏发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法的另一流程图；

图5a和图5b是本发明实施例提供的悬浮电容三电平BOOST变换器主电路的两种具体结构示意图；

图6是对于图5a所示主电路的启动控制方法的完整流程图；

图7是本发明实施例提供的启动控制方法中步骤S104中的开关管调制信号时序示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，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，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供一种悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，以使输入电压较低的三电平BOOST电路能够正常工作。

图2所示为一种典型的悬浮电容三电平BOOST拓扑，其中，输入电容Cin设置于其输入端的正负极之间，电感L、第一二极管D1及第二二极管D2依次设置于其正极传输支路中，第一开关管Q1和第二开关管Q2串联连接于第一二极管D1的阳极与该拓扑的负极传输支路之间，悬浮电容Cf的一端与第一二极管D1和第二二极管D2的连接点相连，悬浮电容Cf的另一端与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连，输出电容Cout设置于该拓扑输出端的正负极之间；Vin为该拓扑的输入电压，当该拓扑的输出端与逆变器的直流母线相连时，该拓扑的输出电压即该直流母线的母线电压Vbus。

需要说明的是，图2仅以共负极拓扑为例对该悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路进行展示，实际应用中，该主电路也可以采用共正极拓扑，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

参见图3，该悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，包括：

S101、获取悬浮电容三电平BOOST变换器中主电路的输入电压和悬浮电容电压。

实际应用中，可以通过相应的电压传感器，来分别采集该主电路的输入电压Vin和悬浮电容电压Vcf。当该主电路的输出端与逆变器的直流母线相连时，还可以同时获取该母线电压Vbus。

然后，即可根据这些参数执行后续步骤。

S102、判断输入电压是否大于等于主电路中悬浮电容的启机阈值。

正常情况下，清晨随着光照幅度的增加，各光伏组件的电压将逐渐升高，使其所接悬浮电容三电平BOOST变换器中主电路的输入电压Vin随之升高；当该输入电压Vin升高至一定预设值时，可以通过图2中所示的预充电电路为悬浮电容Cf进行充电；当悬浮电容电压Vcf上升到大于其启机阈值时，即可控制该主电路进入正常工作状态。该启机阈值可以接近该输入电压Vin的一半，以使上电瞬间两个开关管Q1和Q2能够平分该输入电压Vin而不至过压而击穿损坏；该启机阈值的取值范围上限不大于第一开关管Q1的电压应力，其取值范围的下限不小于输入电压Vin减去第二开关管Q2的电压应力的差值；若多个悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路输出端并联至逆变器的直流母线，则该启机阈值可以取值为母线电压Vbus的一半，但并不仅限于此。

然而，实际应用中，当光伏组件因遮挡等原因导致其后级悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路输入电压Vin较低，比如低于该启机阈值时，若图2中所示的预充电电路结构简单、不具备升压功能，比如仅为设置有可控开关和分压器件的传输回路，则无法将该悬浮电容电压Vcf充至高于该输入电压Vin的启机阈值。比如，多个悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路输出端并联，在各主电路工作前，其并联得到的母线电压Vbus由输入电压Vin最高的那一路主电路确定，当某主电路的输入电压Vin小于1/2母线电压Vbus时，则无法将该主电路中悬浮电容Cf的悬浮电容电压Vcf充至1/2母线电压Vbus。此时，面对输入电压Vin小于启机阈值的情况，需要先后执行步骤S103和S104。

S103、控制预充电电路以输入电压为悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压。

虽然以该输入电压Vin为悬浮电容Cf充电，不能使其达到该启机阈值，但也可以使该悬浮电容电压Vcf上升至一个预设电压，比如可以达到一个接近该输入电压Vin的值，也即该预设电压处于该输入电压Vin的预设范围内，该预设范围的取值可以视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

通过步骤S103可以使该悬浮电容电压Vcf实现一个阶段的上升，而后，为了使其能够达到该启机阈值、使主电路正常工作，可以通过步骤S104再对其进行下一个阶段的接力上升。

S104、控制第一开关管和第二开关管工作，为悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，使悬浮电容电压达到启机阈值。

当控制第一开关管Q1断开、第二开关管Q2导通时，输入电容Cin、电感L、第一二极管D1、悬浮电容Cf及第二开关管Q2构成回路，为悬浮电容Cf充电；当第一开关管Q1导通、第二开关管Q2断开时，输入电容Cin、电感L、第一开关管Q1、悬浮电容Cf及第二二极管D2构成回路，使悬浮电容Cf放电；实际应用中，为使悬浮电容电压Vcf能够被充至超过该输入电压Vin，还需要存在两个开关管Q1和Q2均导通的时刻，此时，输入电容Cin、电感L、第一开关管Q1及第二开关管Q2构成回路，使输入电压Vin对电感L进行储能，为后续向悬浮电容Cf充电做准备，而且此时悬浮电容Cf上的悬浮电容电压Vcf维持不变。

由于充电时长大于放电时长，所以每次充放电都能够使悬浮电容电压Vcf得到进一步上升，也即通过这种周期性的充放电动作，就能够使该悬浮电容电压Vcf达到启机阈值。

在此之后，即可执行步骤S105。

S105、控制主电路正常工作。

本实施例提供的该悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，在主电路的输入电压小于悬浮电容的启机阈值时，先以输入电压为悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压；再通过控制主电路中的两个开关管工作，为悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，进而使悬浮电容电压达到启机阈值，即可控制主电路正常工作，使得输入电压较低的三电平BOOST电路也能够正常工作。

在上一实施例的基础之上，具体的，该步骤S104，可以如图4中所示，具体包括：

S201、确定第一开关管和第二开关管的调制占空比和起始相位差。

优选的，该调制占空比与两个开关管在正常工作时的调制占空比相同，该起始相位差也与两个开关管在正常工作时的起始相位差相同，也即，本实施例可以不改变对于主电路的调制逻辑，在启机预充电调节完成后可实现稳态工作下调制策略的无缝切换。

S202、确定第一开关管和第二开关管的开通时长。

其中，与悬浮电容连接至同一极传输支路的开关管，比如图2中所示与悬浮电容Cf均连接至正极传输支路的第一开关管Q1，其开通时长小于另一开关管的开通时长；结合上一实施例中对于悬浮电容的充放电回路说明，可以得到此时即可实现对于上述充电时长大于放电时长的设置。

优选的，该步骤S202可以具体包括：先计算第一开关管和第二开关管在正常工作时的正常开通时长，再在正常开通时长的基础上减少一个预设时长，得到放电时长，作为与悬浮电容连接至同一极传输支路的开关管（如图2中所示的Q1）的开通时长；同时，在正常开通时长的基础上增加一个预设时长，得到充电时长，作为另一开关管（如图2中所示的Q2）的开通时长。该预设时长的取值不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

当然，实际应用中，两个开通时长与该正常开通时长的差距也可以不相同，两者也可以不在该正常开通时长基础上进行变动，只要能够保证对于悬浮电容的充电时长大于放电时长即可，均在本申请的保护范围内。

S203、根据调制占空比、起始相位差以及两个开通时长，生成两个调制信号并分别输出至相应的开关管，直至悬浮电容电压达到启机阈值。

该步骤S203可以参见现有的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）过程，此处不做赘述。

实际应用中，步骤S105也可以如图4中所示，具体包括：

S301、确定第一开关管和第二开关管在正常工作时的调制占空比、起始相位差及正常开通时长。

实际应用中，该调制占空比具体是主电路的升压值与输出电压之比，对于并联至直流母线的图2所示主电路，其输出电压为母线电压Vbus，其升压值为Vbus-Vin，则调制占空比D=（Vbus-Vin）/Vbus。

该正常开通时长是调制占空比D与调制周期T之积，也即DT。

该起始相位差可以是调制周期T的一半，也即T/2。

S302、根据调制占空比、起始相位差及正常开通时长，生成并输出两个调制信号至相应开关管。

该步骤S302也可以参见现有的PWM过程，此处不做赘述。

另外，如图4中所示，该启动控制方法，在步骤S102之后，还包括：若输入电压大于等于启机阈值，则执行步骤S106、以输入电压为悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到启机阈值。然后即可执行步骤S105。

图5a和图5b中对图2中的预充电电路提供了两种可选形式，其悬浮电容Cf与主电路的输出端负极（如图5a所示）或输出端中点（如图5b所示）之间，设置有串联连接的第二可控开关K2和电阻R（串联顺序不限）；且两个开关管Q1和Q2的中点与悬浮电容Cf之间，设置有第一可控开关K1；此时该启动控制方法中，步骤S103，包括：先控制第一可控开关K1断开，并控制第二可控开关K2闭合；然后判断悬浮电容电压Vcf是否达到预设电压；若达到，则控制第一可控开关K1闭合，并控制第二可控开关K2断开。

以图5a所示结构为例进行说明，其借助电感L和第一二极管D1，增加第二可控开关K2和电阻R，进而构成了悬浮电容Cf的预充电电路，第一可控开关K1能够防止输入高压上电瞬间导致第二开关管Q2过压击穿。为了保证该拓扑能够正常工作，需要将悬浮电容Cf的电压预充电至输出侧所接母线电压Vbus的一半。若其输入电压Vin能够大于等于启机阈值，则在输入上电后，闭合第二可控开关K2即可由输入电压Vin通过电感L、第一二极管D1、悬浮电容Cf、第二可控开关K2及电阻R构成的回路，将悬浮电容Cf的电压逐步充至1/2母线电压Vbus。但是，实际应用时，并不能保证多个并联的主电路，其输入电压Vin均能大于等于启机阈值，因此，对于各个如图5a所示的主电路而言，其启动控制方法可以参见图6，在获取输入电压Vin、母线电压Vbus及悬浮电容电压Vcf之后：

若Vin≥Vbus/2，则闭合第二可控开关K2为悬浮电容Cf进行充电，直接利用该预充电电路将悬浮电容电压Vcf充至半母线电压Vbus/2；然后断开第二可控开关K2，闭合第一可控开关K1，即可驱动两个开关管Q1和Q2交替工作，启动该悬浮电容三电平BOOST变换器进入正常工作。

若Vin<Vbus/2，则先闭合第二可控开关K2为悬浮电容Cf进行充电，利用该预充电电路将悬浮电容电压Vcf充电至预设电压（接近输入电压Vin），然后断开第二可控开关K2，闭合第一可控开关K1，基于计算的调制占空比D=（Vbus-Vin）/Vbus，并对两个开关管Q1和Q2的开通时长进行调整分配，其中，第一开关管Q1的开通时长设置为（D-△）T，第二开关管Q2的开通时长设置为（D+△）T，△T即为上述预设时长；且两个开关管Q1和Q2驱动开始相位上差T/2，如图7所示，使第二开关管Q2的开通时长略大于第一开关管Q1的开通时长，进而在每个调制周期T内可实现悬浮电容Cf的充电时长大于放电时长，故悬浮电容电压Vcf上升；经过n个调制周期后，悬浮电容电压Vcf预充该启机阈值（即Vbus/2），即可保证该悬浮电容三电平BOOST变换器能够正常工作。然后，重新将两个开关管Q1和Q2的开通时常调整为正常开通时长DT，此时悬浮电容Cf处于充放电平衡状态，维持启机阈值（即Vbus/2）不变。因而，可实现启机预充电过程与稳态工作过程的无缝切换。

参见图7，当图5a所示主电路面对Vin<1/2Vbus，即D>1/2的情况时，步骤S104中的各个调制周期T内：

1）0-t1区间，

两个开关管Q1和Q2同时开通，输入电容Cin、电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2构成回路，输入电压Vin对电感L进行储能，悬浮电容电压Vcf维持；该区间的时长为DT-T/2-△T。

2）t1-T/2区间，

第一开关管Q1关断，第二开关管Q2开通，输入电容Cin、电感L、第一二极管D1、悬浮电容Cf、第一可控开关K1、第二开关管Q2构成回路，电感L释放能量，悬浮电容Cf进行充电；该区间的时长为T-DT+△T。

3）T/2-t2区间，

第一开关管Q1和第二开关管Q2同时开通，输入电容Cin、电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2构成回路，输入电压Vin对电感L进行储能，悬浮电容电压Vcf维持；该区间的时长为DT+△T-T/2。

4）t2-T区间，

第一开关管Q1开通，第二开关管Q2关断，输入电容Cin、电感L、第一开关管Q1、第一可控开关K1、悬浮电容Cf、第二二极管D2构成回路，电感L释放能量，悬浮电容Cf进行放电；该区间的时长为T-DT-△T。

可见，在一个调制周期T内，t1-T/2区间内悬浮电容Cf充电，t2-T区间内悬浮电容Cf放电，其他两个区间内悬浮电容电压Vcf维持不变，由于t1-T/2区间的时长大于t2-T区间的时长，即悬浮电容Cf的充电时长大于放电时长，因此经历若干个调制周期即可将悬浮电容电压Vcf充电至启机阈值（即Vbus/2）。

本实施例在不增加成本的基础上，解决了母线高压时对应低压输入路悬浮电容三电平BOOST变换器的悬浮电容电压的预充电问题；而且，不改变悬浮电容三电平BOOST变换器的调制策逻辑，在启机预充电调节完成后可实现稳态工作下开关管调制策略的无缝切换。

本申请另一实施例还提供了一种悬浮电容三电平BOOST变换器，包括：主电路和控制器；其中：

其主电路为悬浮电容三电平BOOST电路，比如图2所示所示的共负极拓扑或者现有技术中的共正极拓扑，具体包括：电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、悬浮电容Cf、预充电电路、输入电容Cin及输出电容Cout；其中：

电感L、第一二极管D1和第二二极管D2，依次设置于一极传输支路（如图2中所示的正极传输支路）中；电感L的另一端作为主电路的输入端相应极，第二二极管D2的另一端作为主电路的输出端相应极。

电感L与第一二极管D1的连接点，依次通过第一开关管Q1及第二开关管Q2，连接另一极传输支路（如图2中所示的负极传输支路）。

悬浮电容Cf的一端，与第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点相连；悬浮电容Cf的另一端，与第一二极管D1和第二二极管D2的连接点相连。

预充电电路用于以主电路的输入电压Vin为悬浮电容Cf充电。

输入电容Cin设置于主电路的输入端正负极之间，输出电容Cout设置于主电路的输出端正负极之间。

第一开关管Q1、第二开关管Q2及预充电电路均受控于控制器，该控制器用于执行如上述任一实施例所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法。该启动控制方法的具体过程及原理也参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

为了实现该预充电电路，实际应用中，可以在第一开关管Q1与第二开关管Q2的连接点与悬浮电容Cf之间，设置有第一可控开关（如图5a和图5b中所示的K1）；预充电电路包括：串联连接的第二可控开关（如图5a和图5b中所示的K2）和电阻（如图5a和图5b中所示的R），串联后的支路设置于悬浮电容Cf与主电路的输出端负极（如图5a所示）或输出端中点（如图5b所示）之间。该第一可控开关K1及第二可控开关K2，也受控于该控制器。

实际应用中，该第一可控开关K1可以为常开继电器，该第二可控开关K2可以为常闭继电器；其中，该第一可控开关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（绝缘栅型场效应管）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、GTO（Gate Turn-Off Thyristor可关断晶闸管）等，此处不做限定，视其具体应用环境而定。而且，该主电路还可以在其输入端正极与输出端正极之间设置有旁路器件，比如二极管或者继电器，该悬浮电容三电平BOOST变换器的其他设置参见现有技术即可，此处不再一一赘述，只要其控制器能够实现上述启动控制方法即可，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，图5a和图5b中所示的结构，均借助电感L和第一二极管D1，仅增加第二可控开关K2和电阻R，即可构成该预充电电路。实际应用中，能够以该主电路的输入电压Vin为悬浮电容Cf充电的任何电路结构，均可以作为该预充电电路，并不仅限于图5a和图5b所示的结构，比如设置于主电路输入端正极与两个二极管连接点之间的可控开关也能够实现上述功能，同样在本申请的保护范围内。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。

Claims (13)

1.一种悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，所述悬浮电容三电平BOOST变换器的主电路包括：依次设置于一极传输支路中的电感、第一二极管和第二二极管，串联连接于所述电感与所述第一二极管的连接点及另一极传输支路之间的第一开关管和第二开关管，设置于两个二极管连接点与两个开关管连接点之间的悬浮电容，以及，以所述主电路的输入电压为所述悬浮电容充电的预充电电路；所述启动控制方法包括：

在所述输入电压小于所述悬浮电容的启机阈值时，控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压；

控制所述第一开关管和所述第二开关管工作，确定所述第一开关管和第二开关管的调制占空比、起始相位差和开通时长，根据所述调制占空比、所述起始相位差及所述开通时长，生成并输出两个调制信号至相应开关管，为所述悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值；

控制所述主电路正常工作。

2.根据权利要求1所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，控制所述第一开关管和所述第二开关管工作，为所述悬浮电容进行充放电，且其充电时长大于放电时长，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值，包括：

确定所述第一开关管和所述第二开关管的调制占空比和起始相位差；

确定所述第一开关管和所述第二开关管的开通时长；其中，与所述悬浮电容连接至同一极传输支路的所述第一开关管的开通时长，小于所述第二开关管的开通时长；

根据所述调制占空比、所述起始相位差以及两个所述开通时长，生成两个调制信号并分别输出至相应的开关管，直至所述悬浮电容电压达到所述启机阈值。

3.根据权利要求2所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，所述调制占空比，与两个所述开关管在正常工作时的调制占空比相同；

所述起始相位差，与所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的起始相位差相同。

4.根据权利要求2所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，确定所述第一开关管和所述第二开关管的开通时长，包括：

计算所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的正常开通时长；

在所述正常开通时长的基础上减少一个预设时长，得到所述放电时长，作为所述第一开关管的开通时长；

在所述正常开通时长的基础上增加一个所述预设时长，得到所述充电时长，作为所述第二开关管的开通时长。

5.根据权利要求1所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，控制所述主电路正常工作，包括：

确定所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的调制占空比、起始相位差及正常开通时长；

根据所述调制占空比、所述起始相位差及所述正常开通时长，生成并输出两个调制信号至相应开关管。

6.根据权利要求5所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，确定所述第一开关管和所述第二开关管在正常工作时的调制占空比、起始相位差及正常开通时长，包括：

以所述主电路的升压值与输出电压之比，作为所述调制占空比；

以所述调制占空比与调制周期之积，作为所述正常开通时长；

以所述调制周期的一半，作为所述起始相位差。

7.根据权利要求1至6任一项所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，所述主电路的输出端连接逆变器的直流母线；

在控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电之前，还包括：获取所述输入电压、所述悬浮电容电压以及所述直流母线的母线电压；

所述启机阈值为：所述母线电压的一半。

8.根据权利要求1至6任一项所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，所述主电路中，两个开关管的连接点与所述悬浮电容之间，设置有第一可控开关；且所述预充电电路包括：设置于所述悬浮电容与所述主电路的输出端负极或输出端中点之间、串联连接的第二可控开关和电阻；所述启动控制方法中，控制所述预充电电路以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使悬浮电容电压达到预设电压，包括：

控制所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关闭合；

判断所述悬浮电容电压是否达到所述预设电压；

若是，则控制所述第一可控开关闭合，并控制所述第二可控开关断开。

9.根据权利要求1至6任一项所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，所述预设电压处于所述输入电压的预设范围内。

10.根据权利要求1至6任一项所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法，其特征在于，还包括：

在所述输入电压大于等于所述启机阈值时，以所述输入电压为所述悬浮电容充电，使所述悬浮电容电压达到所述启机阈值；

再执行控制所述主电路正常工作的步骤。

11.一种悬浮电容三电平BOOST变换器，其特征在于，包括：主电路和控制器；其中，

所述主电路为悬浮电容三电平BOOST电路，包括：电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、悬浮电容、预充电电路、输入电容及输出电容；

所述电感、所述第一二极管和所述第二二极管，依次设置于一极传输支路中；所述电感的另一端作为所述主电路的输入端相应极，所述第二二极管的另一端作为所述主电路的输出端相应极；

所述电感与所述第一二极管的连接点，依次通过所述第一开关管及所述第二开关管，连接另一极传输支路；

所述悬浮电容的一端，与所述第一开关管和所述第二开关管的连接点相连；所述悬浮电容的另一端，与所述第一二极管和所述第二二极管的连接点相连；

所述预充电电路用于以所述主电路的输入电压为所述悬浮电容充电；

所述输入电容设置于所述主电路的输入端正负极之间，所述输出电容设置于所述主电路的输出端正负极之间；

所述第一开关管、所述第二开关管及所述预充电电路，均受控于所述控制器，所述控制器用于执行如权利要求1至10任一项所述的悬浮电容三电平BOOST变换器的启动控制方法。

12.根据权利要求11所述的悬浮电容三电平BOOST变换器，其特征在于，所述第一开关管与所述第二开关管的连接点与所述悬浮电容之间，设置有第一可控开关；

所述预充电电路包括：串联连接的第二可控开关和电阻，串联后的支路设置于所述悬浮电容与所述主电路的输出端负极或输出端中点之间；

所述第一可控开关及所述第二可控开关，均受控于所述控制器。

13.根据权利要求12所述的悬浮电容三电平BOOST变换器，其特征在于，所述第一可控开关为常开继电器或者功率半导体开关管，所述第二可控开关为常闭继电器或者功率半导体开关管。

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