三电平拓扑4—飞跨电容电压平衡方法

原创 Monster电子技术 2023-09-04 11:30

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为了保证电路正常运行，飞跨电容的电压必须是输出电压的一半。为了实现这一点，必须对其电压进行持续的调节，可以通过更改运行模式来实现。从第一篇文章三电平拓扑1—为什么要用三电平拓扑？最后的表中可以看出，模式1和模式4对飞跨电容没有影响，因此必须在模式2和模式3中进行调节，调节状态图见图1。

图1 飞跨电容电压调节方法

如前所述，具体模式取决于占空比。如果𝐷 ≤ 0.5运行模式如下：

…→ 模式1→ 模式2→ 模式1→ 模式3→ …

如果飞跨电容电压超过设定值，则可以修改运行模式来降低电压：

…→ 模式1→ 模式3→ 模式1→ 模式3→ …

如果飞跨电容电压小于设定值：

…→ 模式1→ 模式2→ 模式1→ 模式2→ …

如果𝐷 ≥ 0.5所需的调整是类似的，利用模式4而不是模式1：

…→ 模式4→ 模式3→ 模式4→ 模式3→ …降低电压

…→ 模式4→ 模式2→ 模式4→ 模式2→ …增加电压

上述是一种比较简单的调整方法，而且仅适合在Boost电路是做飞跨电容的电压调节方法。在首航新能源的发明专利中，Monster发现了另一种电压调节的方法，给大家分享出来，仅供参考。

首航新能源的发明专利表示：现有技术通过实时采样飞跨电压并做闭环控制来实现电容电压均衡，因此需占用大量资源，增加了电路的成本。

现有技术获取电感电流给定值与电感电流反馈值进行电流环计算的同时，通常还需对飞跨电容电压进行采样并增加额外的环路控制，电感电流给定值、电感电流反馈值与飞跨电容电压共同作用输出的两个控制信号分别发送至对应的发波模块，获得两个不同的驱动信号分别控制两个开关管的导通与关断以实现将输入电压升高至所需的电压，其中，对飞跨电容电压进行采样并增加额外的环路控制虽使电容电压达到均衡，但占用大量资源，且现有技术中两个开关管的驱动信号生成不是独立，而是需要额外的发波模块，这也在一定程度上增加了设计该飞跨电容三电平Boost电路的成本。因此需要设计无需实时采样飞跨电压并做闭环控制即可实现电容电压均衡，有效地减少了设计成本及资源占用的飞跨电容三电平Boost电路。话不多说，直接上图。

图2 首航专利框图

图3 平衡桥臂

注：以上素材选自首航专利，素材版权归属原专利权所有者。

Monster对整体框图进行了还原，如图4所示。

图4

根据专利的权利要求描述，Cp和Cn是两个相等的电容器，理论上两个电容的电压应当是输出电压的一半，当飞跨电容电压小于输出电压的一半时，即Cn电压大于CFC电压，一方面，Cn会自动通过电阻串联的二极管对飞跨电容进行充电，另一方面，保持T2闭合，T1断开，输入电压也可以通过电感对CFC充电，两种措施可以使CFC电压与Cn电压保持基本相等，电流回路如图5所示。

图5

这时候可能有人发问，飞跨电容的电压偏高时，怎么办？不好意思，在专利中，Monster没有找到相关的信息，大家如有兴趣，可以去研究一下，分析清楚不要忘记私信我哈。均衡单元的T3、T4和L1又有什么作用？当Cn给CFC充电以后，Cn的能量转移到飞跨电容中，其电压可能会降低，导致Cn的电压与Cp的电压不一致，这时候就该电压均衡单元发挥作用了，我们来看两个回路图。