CN113287253B - 一种直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种直流变换器，包括：第一电容，两端分别连接母线正端和母线中间节点；第二电容，两端分别连接母线中间节点和母线负端；第一开关器件，两端分别连接母线正端和第一中间节点；第二开关器件，两端分别连接第一中间节点和参考端；第三开关器件，两端分别连接参考端和第二中间节点；第四开关器件，两端分别连接第二中间节点和母线负端；飞跨电容，两端分别连接第一中间节点和第二中间节点，第一中间节点和第二中间节点通过保护电路连接母线中间节点；保护电路，包含嵌位单元和缓冲单元，在母线正端与母线负端间电压升高时，嵌位单元将第一开关器件和第四开关器件分别嵌位至第一电容和第二电容的电压，缓冲单元减小流经嵌位单元和飞跨电容的电流。

Description

一种直流变换器

技术领域

本申请涉及能源技术领域，尤其涉及一种直流变换器。

背景技术

用于实现直流电压与直流电压转换的直流变换器，广泛应用于太阳能发电、储能、不间断电源(uninterrupted power supply，UPS)等系统中。

在直流变换器中，多电平电路由于可以提供多种电压值而受到关注。示例性地，图1示出了一种三电平直流(direct current，DC)-直流变换电路的结构示意图。该DC-DC变换电路包含一个上桥臂、一个下桥臂、一个飞跨电容和一个电感，其中，上桥臂包含两个串联的二极管(D1、D2)，D1、D2串联后的两个端口分别连接母线正端P和参考端O，中间节点记为SP；下桥臂包含两个串联的IGBT(T3、T4)及其反并联二极管(D3、D4)，T3、T4串联后的两个端口分别连接参考端O和母线负端N，中间节点记为SN；飞跨电容Cfly的正端连接中间节点SP，负端连接中间节点SN；电感Lin的两端分别连接低压正端L和参考端O；低压负端与母线负端直接相连，同样记为N。母线正端P的电压为Vbus，母线中间节点M的电压Vbus/2，母线负端的电压为0。在该电路正常工作时，参考端O可以有三种电平状态，因此该电路称为三电平DC-DC变换电路。通过控制该电路中各个开关器件的导通和关断时间，可以实现输出直流电压的调节。

在图1所示的DC/DC变换电路正常工作前，先通过一个额外的预充电电路将飞跨电容Cfly的电压充电至Vbus/2。DC/DC变换电路正常启动后，飞跨电容Cfly两端的电压(即SP、SN之间的电压)约为Vbus/2。具体地，T3、T4导通时，参考端O连接至母线负端N，参考端O的电压为0；D2、T4导通时，参考端O的电压等于飞跨电容Cfly两端的电压Vbus/2；T3、D1导通时，参考端O的电压等于母线正端P的电压减去飞跨电容Cfly两端的电压，为Vbus/2；D2、D1导通时，参考端O连接至母线正端P，电压为Vbus。因此，参考端O有0、Vbus/2、Vbus三种电平状态。

图1所示的三电平DC/DC变换电路存在如下问题：在发生一些异常工况时，电路中的某些器件存在过压损坏的风险。

比如，在低压正端L误接入负电压(即低压正端L与低压负端N接反)的情况下，假设低压正端L本应接入1200V电压，但是由于疏忽而误接入-1200V的电压，此时低压负端N为0V，故D3和D4导通，中间节点SN的电压为0V，D1承受的电压为Vbus与Cfly上电压的差值，若此时Cfly还未预充电，那么D1会承受较大的电压，产生过压损坏的风险。再比如，在该电路正常工作的情况下，若母线正端P突然跳变至更高电压，例如从900V跳变到1400V，那么由于Cfly两端的电压还未发生变化，仍为900V/2＝450V，在D1导通的情况下，T4承受的电压为母线正端P的电压减去飞跨电容Cfly两端的电压，即1400V-450V＝950V，从而造成T4管承受较大的电压，产生过压损坏的风险。

因此，现有技术提供的三电平DC-DC变换电路存在难以应对异常工况的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种直流变换器，用以解决现有技术中存在的三电平DC-DC变换电路难以应对异常工况的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种直流变换器，该直流变换器包括：第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第一电容、第二电容、飞跨电容，以及保护电路；第一电容的一端连接母线正端，另一端连接母线中间节点；第二电容的一端连接母线中间节点，另一端连接母线负端；第一开关器件的一端连接母线正端，另一端连接第一中间节点；第二开关器件的一端连接第一中间节点，另一端连接参考端；第三开关器件的一端连接参考端，另一端连接第二中间节点；第四开关器件的一端连接第二中间节点，另一端连接母线负端；飞跨电容的正端连接第一中间节点，负端连接第二中间节点；第一中间节点和第二中间节点通过保护电路连接至母线中间节点。

其中，保护电路包含嵌位单元和缓冲单元，嵌位单元用于在母线正端与母线负端之间的电压升高时将第一开关器件嵌位至第一电容的电压以及将第四开关器件嵌位至第二电容的电压；缓冲单元用于在母线正端与母线负端之间的电压升高时减小流经嵌位单元和飞跨电容的电流。

采用第一方面提供的直流变换器，当低压正端误接入负电压时，母线负端的电压为0V，低压正端为负电压，因而第三开关器件与第四开关器件导通，第二中间节点的电压为0V。由于该直流变换器还未启动工作，飞跨电容还未进行预充电，故飞跨电容两端的电压为0V，因此第一中间节点的电压也为0V。如果此时第一电容和第二电容已经具有电压，飞跨电容将由母线中间节点，经过保护电路、第一中间节点以及第二中间节点对其进行充电，并最终充电至与第二电容相等的电压；与此同时，第一开关器件由保护电路嵌位至第一电容的电压，避免了过压损坏风险。

当母线正端的电压突然跳高时，飞跨电容可以通过保护电路进行充电，保护电路中的嵌位单元将第一开关器件嵌位至第一电容的电压，将第四开关器件嵌位至第二电容的电压，从而降低了第一开关器件和第四开关器件过压损坏的风险；同时，保护电路中的缓冲单元减小了飞跨电容充电时的电流冲击，从而提高了充电回路中各器件的可靠性。

在直流变换器正常工作对飞跨电容进行电压均衡控制时，还可以通过调节第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件的导通和关断时间，来调节飞跨电容的电压，具体地，在飞跨电容两端的电压可以大于第一电容的电压，且大于第二电容的电压。

在飞跨电容两端的电压大于第一电容的电压且大于第二电容的电压的情况下，若出现母线正端P的电压突然跳高的异常工况，那么在对飞跨电容充电时，由于充电最终电压与发生异常工况时飞跨电容的瞬时电压之间的差值进一步减小，因而可以减小飞跨电容充电的电流冲击，进一步提高了充电回路中各器件的可靠性。此外，在飞跨电容两端的电压大于第一电容的电压且大于第二电容的电压的情况下，该直流变换器正常工作时，由于母线中间节点M的电压小于第一中间节点的电压且大于第二中间节点的电压，保护电路中的嵌位器件无法导通，因而保护电路不参与该直流变换器的正常工作。也就是说，保护电路仅在出现异常工况时对直流变换器中的器件起到保护作用，在直流变换器正常工作时保护电路不参与工作。

此外，第一方面提供的直流变换器中还可以包括第一电感；其中，第一电感的一端连接低压正端，另一端连接参考端，母线负端与低压负端耦合；或者，第一电感的一端连接低压负端，另一端连接参考端；母线正端与低压正端耦合。

在一种可能的设计中，在该直流变换器中，低压正端与低压负端为电路的输入端，母线正端与母线负端为电路的输出端；或者，母线正端与母线负端为电路的输入端，低压正端与低压负端为电路的输出端。

应理解，第一方面提供的直流变换器可以为单向变换器，也可以为双向变换器。作为双向变换器时，若母线正端和母线负端作为输入端，则低压正端和低压负端作为输出端，该直流变换器用于将母线正端和母线负端之间的直流电压转换为低压正端和低压负端之间的直流电压。或者，若低压正端和低压负端作为输入端，则母线正端和母线负端作为输出端，该直流变换器用于将低压正端和低压负端之间的直流电压转换为母线正端和母线负端之间的直流电压。

具体地，在第一方面提供的直流变换器中，嵌位单元可以包括第一嵌位器件和第二嵌位器件；其中，第一嵌位器件的一端连接第一中间节点，第一嵌位器件的另一端连接第二嵌位器件；第二嵌位器件的一端连接第二中间节点，另一端连接第一嵌位器件；缓冲单元的一端连接第一嵌位器件与第二嵌位器件的连接节点，另一端连接母线中间节点。

进一步地，第一嵌位器件可以为第一二极管，第二嵌位器件可以为第二二极管；或者，第一嵌位器件可以为第一绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与之反并联的二极管，第二嵌位器件可以为第二IGBT以及与之反并联的二极管；或者，第一嵌位器件可以为第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET及其体二极管，第二嵌位器件可以为第二MOSFET及其体二极管；其中，第一嵌位器件中的二极管的阴极连接第一中间节点，阳极连接第二嵌位器件中的二极管的阴极；第二嵌位器件中的二极管的阳极连接第二中间节点。

也就是说，第一嵌位器件和第二嵌位器件中均各自包括一个二级管(例如第一嵌位器件包括第一二极管、第二嵌位器件包括第二二极管，或者第一嵌位器件包括IGBT的反并联二极管、第二嵌位器件包括IGBT的反并联二极管，或者第一嵌位器件包括MOSFET的体二极管、第二嵌位器件包括MOSFET的体二极管)，这两个二极管串联接在第一中间节点与第二中间节点之间，且这两个二极管的中间节点通过缓冲单元与母线中间节点M连接。

在一种可能的设计中，缓冲单元包括以下至少一种：第一缓冲电阻；第三IGBT以及与之反并联的二极管、第四IGBT以及与之反并联的二极管，第三IGBT与第四IGBT对顶连接；第三MOSFET及其体二极管、第四MOSFET及其体二极管，第三MOSFET与第四MOSFET对顶连接；第二缓冲电阻、第三缓冲电阻、第五开关器件，第二缓冲电阻和第三缓冲电阻串联，第五开关器件与第三缓冲电阻并联。

其中，第五开关器件为以下任一种：机械开关器件；第五IGBT以及与之反并联的二极管；第五MOSFET及其体二极管。

不难看出，缓冲单元的主体为电阻，其具体形式可以是固定阻值的电阻，可以是通过IGBT以及与之反并联的二极管实现的可调电阻，可以是MOSFET及其体二极管实现的可调电阻，也可以是通过开关器件进行调节的可调电阻。当缓冲单元包括电阻时，在异常工况下对飞跨电容进行充电时，可以减小对飞跨电容以及充电回路中其他器件的电流冲击，降低器件过压损坏的风险。

在一种可能的设计中，第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件均由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成；或者，第一开关器件、第二开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成，第三开关器件、第四开关器件由二极管组成；或者，第一开关器件、第二开关器件由二极管组成；第三开关器件、第四开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成。

采用上述方案，若第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件均由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成，则第一方面提供的直流变换器可以为双向变换器。

在一种可能的设计中，保护电路还用于在电路启动时对飞跨电容进行预充电。

采用上述方案，飞跨电容可以由低压正端经由第二开关器件→保护电路→母线中间节点→母线负端这一回路进行预充电，因而不需要额外配置预充电电路，降低了成本。

附图说明

图1为现有技术提供的一种三电平DC-DC变换电路的结构示意图；

图2为现有技术提供的另一种三电平DC-DC变换电路的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第一种直流变换器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的第二种直流变换器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的第三种直流变换器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的第四种直流变换器的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的第五种直流变换器的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的第六种直流变换器的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的第七种直流变换器的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的第八种直流变换器的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的第九种直流变换器的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的第十种直流变换器的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的第十一种直流变换器的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的直流变换器在异常工况下的工作状态示意图；

图15为本申请实施例提供的直流变换器在启动时的工作状态示意图；

图16为本申请实施例提供的直流变换器在对飞跨电容充电时的工作状态示意图；

图17为本申请实施例提供的直流变换器在异常工况下的工作状态示意图。

具体实施方式

现有技术中，为了解决背景技术中提出的三电平DC-DC变换电路难以应对异常工况的问题，对图1所示的三电平DC-DC变换电路进行改进，改进后的三电平DC-DC变换电路可以如图2所示。

图2所示的变换电路在图1所示的变换电路拓扑上，增加了一个开关S和一个二极管D6。其中，飞跨电容Cfly的负端经过开关S连接中间节点SN；同时，飞跨电容Cfly的负端经过二极管D6连接母线的中间节点M。

图2所示的变换电路可以直接对飞跨电容Cfly进行预充电，而无需通过额外的预充电电路：该变换电路从低压正端L正常启动时，飞跨电容Cfly可以由低压正端电压经过电感Lin→二极管D2→二极管D6→Cbus-进行预充电，从而节省了传统的预充电电路。

图2所示的变换电路在应对低压正端L误接入负电压的情况时，工作原理如下：在该变换电路开始工作之前，开关S保持断开。如果低压正端L接入了负电压，则D3、D4导通，中间节点SN的电压为0；此时，由于飞跨电容Cfly还未进行充电，其两端电压为0，故母线电压Vbus由D1和开关S共同承担。也就是说，与图1所示的变换电路相比，增加的开关S避免了母线电压Vbus由D1单独承担从而导致其过压损坏的风险。电路正常启动后，开关S保持闭合。

图2所示的变换电路在应对母线电压突然跳变的情况时，工作原理如下：变换电路正常工作后，如果母线电压突然跳变至更高电压，此时飞跨电容Cfly两端的电压还未发生变化，那么当D1导通时，飞跨电容Cfly经过二极管D6、Cbus-进行充电；由于S闭合且D6导通，此时T4两端的电压为与Cbus-两端的电压相同。也就是说，增加的二极管D6将T4嵌位至母线负电压源，从而降低T4过压损坏的风险。仍以背景技术中母线正端P从900V跳变到1400V为例，那么采用图2所示的变换电路，T4嵌位至700V，与采用图1所示的变换电路相比，T4承受的电压变小了(950V→700V)，因而采用图2所示的变换电路降低了T4过压损坏的风险。

采用图2所示的变换电路虽然可以在一定程度上应对异常工况，但是该变换电路还存在如下问题：第一，增加的开关S会引入一定的导通损耗，且S的加入导致电路回路变长，还会增加IGBT和二极管的电压应力。第二，增加的二极管D6，在将T4嵌位至母线负电压源时，如果飞跨电容Cfly两端的原电压与突变后的半母线电压(即Vbus/2)在数值上相差较大的话，那么飞跨电容Cfly的充电过程会对飞跨电容Cfly、二极管D6以及Cbus-等器件产生较大的电流冲击，降低这些器件的可靠性。

基于背景技术中提出的问题，本申请实施例提供一种直流变换器，用以解决现有技术中存在的三电平DC-DC变换电路难以应对异常工况的问题。

下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。

需要说明的是，本申请实施例中，多个是指两个或两个以上。另外，在本申请的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

参见图3，为本申请实施例提供的一种直流变换器的结构示意图。如图3所示，该直流变换器包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第一电容C1、第二电容C2、飞跨电容Cfly以及保护电路；第一电容C1的一端连接母线正端P，另一端连接母线中间节点M；第二电容C2的一端连接母线中间节点M，另一端连接母线负端N；第一开关器件S1的一端连接母线正端P，另一端连接第一中间节点SP；第二开关器件S2的一端连接第一中间节点SP，另一端连接参考端O；第三开关器件S3的一端连接参考端O，另一端连接第二中间节点SN；第四开关器件S4的一端连接第二中间节点SN，另一端连接母线负端N；飞跨电容Cfly的正端连接第一中间节点SP，负端连接第二中间节点SN；第一中间节点SP和第二中间节点SN通过保护电路连接至母线中间节点M。

在图3所示的直流变换器中，保护电路包含嵌位单元和缓冲单元，嵌位单元用于在母线正端P与母线负端N之间的电压升高时将第一开关器件S1嵌位至第一电容C1的电压以及将第四开关器件S4嵌位至第二电容C2的电压；缓冲单元用于在母线正端P与母线负端N之间的电压升高时减小流经嵌位单元和飞跨电容Cfly的电流。

在图3所示的直流变换器中，随着第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4的导通和闭合，参考端O可以具有多种电平状态，因而本申请实施例提供的直流变换器可以视为多电平DC-DC变换器。

需要说明的是，图3所示的直流变换器仅为一种示例，在另一种示例中，本申请实施例提供的直流变换器也可以如图4所示。图4所示的直流变换器与图3所示的直流变换器的区别在于开关器件在母线正端和母线负端的分布不同，各器件间的连接关系不变。

此外，本申请实施例提供的直流变换器中还可以包括第一电感。对于图3的示例，第一电感L1的一端连接低压正端L，另一端连接参考端O，母线负端N与低压负端N耦合，如图5所示；对于图4的示例，第一电感L1的一端连接低压负端Q，另一端连接参考端O；母线正端P与低压正端P耦合，如图6所示。

以上根据本申请实施例中各器件之间的连接关系给出了图3～图6几个直流变换器的示例。上述几个示例的区别仅在于第一电感L1的位置以及开关器件在母线正端和母线负端的分布，上述几个示例中的直流变换器的控制策略和工作原理相同，因此，在本申请实施例中，将重点以图5所示的直流变换器为例对本申请实施例提供的直流变换器的具体组成、控制策略和工作原理进行阐述，其他示例可以相应参照。

具体应用中，图5所示的直流变换器可以为单向变换器，也可以为双向变换器。在一个具体的示例中，低压正端L和低压负端N可以与光伏组件连接，母线正端P和母线负端N可以与设备连接。在另一个具体的示例中，低压正端L和低压负端N可以与电池组件连接，母线正端P和母线负端N可以与设备连接。

作为双向变换器时，若母线正端P和母线负端N作为输入端，则低压正端L和低压负端N作为输出端，该直流变换器用于将母线正端P和母线负端N之间的直流电压转换为低压正端L和低压负端N之间的直流电压，例如可以通过该直流变换器实现设备向电池组件充电。或者，若低压正端L和低压负端N作为输入端，则母线正端P和母线负端N作为输出端，该直流变换器用于将低压正端L和低压负端N之间的直流电压转换为母线正端P和母线负端N之间的直流电压，例如可以通过该直流变换器实现光伏组件/电池组件向设备供电。

作为单向变换器时，可以将母线正端P和母线负端N作为输入端，将低压正端L和低压负端N作为输出端。

具体地，本申请实施例中，若直流变换器为双向变换器，则第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件均由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成。若直流变换器为单向变换器，则对于图3和图5所示的直流变换器，第一开关器件、第二开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成，第三开关器件、第四开关器件由二极管组成，此时该直流变换器可以视为由母线正端P和母线负端N作为输入端、低压正端L和低压负端N作为输出端的降压(BUCK)电路；对于图4和图6所示的直流变换器，第一开关器件、第二开关器件由二极管组成；第三开关器件、第四开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成，此时该直流变换器可以视为由母线正端P和母线负端N作为输入端、低压正端P和低压负端Q作为输出端的BUCK电路。

此外，本申请实施例中，保护电路还用于在直流变换器启动时对飞跨电容Cfly进行预充电。例如，直流变换器从低压正端L启动时，飞跨电容Cfly可以由低压正端L经由第二开关器件S2→保护电路→母线中间节点M→母线负端N这一回路进行预充电，从而避免图1所示的DC-DC变换电路需要额外配置预充电电路的问题，降低了成本。

当低压正端L误接入负电压时，母线负端N的电压为0V，低压正端L为负电压，S3与S4导通，第二中间节点SN的电压为0V。由于该直流变换器还未启动工作，飞跨电容Cfly还未进行预充电，故Cfly两端的电压为0V，因此第一中间节点SP的电压也为0V。如果此时C1和C2已经具有电压，飞跨电容Cfly将由母线中间节点M→保护电路→SP→SN→S4这一充电回路对其进行充电，并最终充电至与C2相等的电压；与此同时，S1由保护电路嵌位至C1的电压，避免了过压损坏风险。

当母线正端P的电压突然跳高时，飞跨电容Cfly可以通过保护电路进行充电，保护电路中的嵌位单元将S1嵌位至第一电容C1的电压，将S4嵌位至第二电容C2的电压，从而降低S1和S4过压损坏的风险；同时，保护电路中的缓冲单元减小了飞跨电容Cfly充电时的电流冲击，从而提高了充电回路中各器件的可靠性。

此外，本申请实施例中，在直流变换器正常工作对飞跨电容Cfly进行电压均衡控制时，还可以通过调节第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4的导通和关断时间，来调节飞跨电容Cfly的电压。具体地，本申请实施例中，在直流变换器启动完成后，飞跨电容两端的电压大于第一电容C1的电压且大于第二电容C2的电压。

在飞跨电容两端的电压大于第一电容的电压且大于第二电容的电压的情况下，若出现母线正端P的电压突然跳高的异常工况，那么在对飞跨电容Cfly充电时，由于充电最终电压与发生异常工况时飞跨电容的瞬时电压之间的差值进一步减小，因而可以减小飞跨电容Cfly充电的电流冲击，进一步提高了充电回路中各器件的可靠性。此外，在飞跨电容两端的电压大于第一电容的电压且大于第二电容的电压的情况下，该直流变换器正常工作时，由于母线中间节点M的电压小于第一中间节点SP的电压且大于第二中间节点SN的电压，保护电路中的嵌位器件无法导通，因而保护电路不参与该直流变换器的正常工作。也就是说，保护电路仅在出现异常工况时对直流变换器中的器件起到保护作用，在直流变换器正常工作时保护电路不参与工作。

具体地，本申请实施例中，嵌位单元可以包括第一嵌位器件和第二嵌位器件；其中，第一嵌位器件的一端连接第一中间节点，第一嵌位器件的另一端连接第二嵌位器件；第二嵌位器件的一端连接第二中间节点，另一端连接第一嵌位器件；缓冲单元的一端连接第一嵌位器件与第二嵌位器件的连接节点，另一端连接母线中间节点。

其中，第一嵌位器件可以为第一二极管，第二嵌位器件可以为第二二极管。或者，第一嵌位器件可以为第一绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与之反并联的二极管，第二嵌位器件可以为第二IGBT以及与之反并联的二极管；或者，第一嵌位器件可以为第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET及其体二极管，第二嵌位器件可以为第二MOSFET及其体二极管；其中，第一嵌位器件中的二极管的阴极连接第一中间节点，阳极连接第二嵌位器件中的二极管的阴极；第二嵌位器件中的二极管的阳极连接第二中间节点。

不难看出，第一嵌位器件和第二嵌位器件中均各自包括一个二级管(例如第一嵌位器件包括第一二极管、第二嵌位器件包括第二二极管，或者第一嵌位器件包括IGBT的反并联二极管、第二嵌位器件包括IGBT的反并联二极管，或者第一嵌位器件包括MOSFET的体二极管、第二嵌位器件包括MOSFET的体二极管)，这两个二极管串联接在第一中间节点SP与第二中间节点SN之间，且这两个二极管的中间节点通过缓冲单元与母线中间节点M连接。

以图5所示的直流变换器为例，保护电路的具体组成可以如图7所示。

具体地，缓冲单元包括以下至少一种：第一缓冲电阻；第三IGBT以及与之反并联的二极管、第四IGBT以及与之反并联的二极管，第三IGBT与第四IGBT对顶连接；第三MOSFET及其体二极管、第四MOSFET及其体二极管，第三MOSFET与第四MOSFET对顶连接；第二缓冲电阻、第三缓冲电阻和第五开关器件，第二缓冲电阻和第三缓冲电阻串联，第五开关器件与第三缓冲电阻并联。其中，第五开关器件为以下任一种：机械开关器件；第五IGBT以及与之反并联的二极管；第五MOSFET及其体二极管。

也就是说，缓冲单元的主体为电阻，其具体形式可以是固定阻值的电阻，可以是通过IGBT以及与之反并联的二极管实现的可调电阻，可以是MOSFET及其体二极管实现的可调电阻，也可以是通过开关器件进行调节的可调电阻。

在一个具体的示例中，若本申请实施例提供的直流变换器为双向变换器，且第一嵌位器件为第一二极管，第二嵌位器件为第二二极管，缓存单元包括第一缓存电阻，则该直流变换器的一种可能的结构示意图可以如图8所示。在图8所示的直流变换器中，T1和D1组成第一开关器件，T2和D2组成第二开关器件，T3和D3组成第三开关器件，T4和D4组成第四开关器件，D5为第一二极管，D6为第二二极管，R0为缓冲单元。图8所示的直流变换器可以视为图3或图5所示的直流变换器的一个具体示例。

需要说明的是，在图8的示例中，以IGBT以及与之反并联的二极管为例对开关器件的具体组成进行示意。实际应用中，开关器件也可以由MOSFET及其体二极管组成。此外，在本申请实施例的各示例中，MOSFET及其体二极管与IGBT及其反并联的二极管的功能类似，二者可以相互替换。

在一个具体的示例中，若本申请实施例提供的直流变换器为双向变换器，且第一嵌位器件为第一二极管，第二嵌位器件为第二二极管，缓存单元包括第一缓存电阻，则该直流变换器的一种可能的结构示意图可以如图9所示。在图9所示的直流变换器中，T1和D1组成第一开关器件，T2和D2组成第二开关器件，T3和D3组成第三开关器件，T4和D4组成第四开关器件，D5为第一二极管，D6为第二二极管，R0为缓冲单元。图9所示的直流变换器可以视为图4或图6所示的直流变换器的一个具体示例。

在一个具体的示例中，本申请实施例提供的直流变换器为单向变换器，且第一嵌位器件为第一二极管，第二嵌位器件为第二二极管，缓存单元包括第一缓存电阻，则该直流变换器的一种可能的结构示意图可以如图10所示。在图10所示的直流变换器中，T1和D1组成第一开关器件，T2和D2组成第二开关器件，D3为第三开关器件，D4为第四开关器件，D5为第一二极管，D6为第二二极管，R0为缓冲单元。图10所示的直流变换器可以视为图3或图5所示的直流变换器的一个具体示例。

进一步地，图8所示的直流变换器中，第一嵌位器件也可以由第一MOSFET及其体二极管组成，第二嵌位器件由第二MOSFET及其体二极管组成；或者，第一嵌位器件由第一IGBT以及与之反并联的二极管组成，第二嵌位器件由第二IGBT以及与之反并联的二极管组成。当然，实际应用中，第一嵌位器件可以为MOSFET及其体二极管、第二嵌位器件为IGBT以及与之反并联的二极管，或者第一嵌位器件可以为IGBT以及与之反并联的二极管、第二嵌位器件为MOSFET及其体二极管。在一个具体的示例中，该直流变换器的一种可能的结构示意图可以如图11所示。在图11所示的直流变换器中，第一嵌位器件由IGBT(即T5)以及与之反并联的二极管(即D5)组成，第二嵌位器件由IGBT(即T6)以及与之反并联的二极管(即D6)组成。

进一步地，图8所示的直流变换器中，缓冲单元也可以由两个对顶连接的MOSFET及其体二极管组成，如图12的中的a示例所示，或者，缓冲单元也可以由两个对顶连接的IGBT以及分别与之反并联的二极管组成，如图12的b示例所示。

进一步地，图8所示的直流变换器中，缓冲单元也可以由第二缓冲电阻、第三缓冲电阻和第五开关器件组成，其中，第二缓冲电阻和第三缓冲电阻串联，第五开关器件与第三缓冲电阻并联。第五开关器件可以为机械开关器件、第五IGBT以及与之反并联的二极管，或者第五MOSFET及其体二极管。在一个具体的示例中，该直流变换器的一种可能的结构示意图可以如图13所示。在图13中，第二缓冲电阻为R1、第三缓冲电阻为R2，第五开关器件为机械开关器件。

对于本申请中直流变换器的各个示例，其工作原理均可以互相参照，下面以图8所示的直流变换器为例对本申请实施例提供的直流变换器的在预充电、异常工况以及正常工作时的工作原理进行介绍，其他示例可以参照，本申请实施例中不再赘述。

图14为图8所示的直流变换器的低压正端L接入负电压时的工作状况，即在该直流变换器启动前低压正端L与低压负端N接反的工况。此时，低压负端N的电压为0V，低压正端L为负电压，D3与D4导通，第二中间节点SN的电压为0V。由于直流变换器还未启动工作，飞跨电容Cfly还未进行预充电，故Cfly两端的电压为0V，因此第一中间节点SP的电压也为0V。如果此时C1和C2已经具有电压，例如均为600V，则母线正端P的电压为1200V。如果该直流变换器未设置保护电路(即如图1所示的电路拓扑)，则T1、D1两端的承压为母线正端P的电压减去第一中间节点SP的电压，即1200-0＝1200V，T1和D1存在过压损坏风险。而本申请实施例中增加了保护电路以后，可以通过母线中间节点M→R0→D5→SP→Cfly→SN这一充电路径对Cfly进行充电，如图14中的箭头方向所示，并最终将Cfly充电至与C2相等的电压(SP点的电压由0V变为600V)；与此同时，T1、D1由R0、D5嵌位至C1两端的电压(即600V)，从而降低了T1和D1过压损坏的风险。

因此，与图1所示的变换电路相比，采用图8所示的直流变换器能够在低压正端L接入负电压时对开关器件实现保护，降低开关器件过压损坏的风险。

图15为直流变换器从低压正端L启动时的正常工作状况。此时，低压负端N的电压为0V，低压正端L的电压从0V逐渐上升至一定值，例如1200V。在此过程中，D2、D1导通，第一中间节点SP的电压跟随低压正端L的电压，并且低压正端L经过D2、D1对C1、C2进行充电，即母线正端P的电压也跟随L电压。母线中间节点M的电压则由C1、C2串联进行分压，例如C1、C2参数一致时分压为600V。与此同时，飞跨电容Cfly通过低压正端L→L1→D2→SP→Cfly→SN→D6→R0→M这一充电路径进行充电，如图15中的箭头方向所示，并最终充电至与C1相等的电压，从而完成飞跨电容Cfly的预充电。

因此，与图1所示的变换电路相比，采用图8所示的直流变换器能够在不主动驱动开关器件的情况下完成对飞跨电容Cfly的预充电，与图1所示的现有技术方案相比节省了预充电电路，降低了成本。

在图8所示的直流变换器正常启动后，可以通过调节该直流变换器中各个开关器件的导通和关断时间来实现DC-DC变换，例如可以将低压正端L与低压负端N之间的较小的直流电压升压，在母线正端P和母线负端N之间输出较大的直流电压。图16为图8所示的直流变换器正常工作的状况。此时，例如母线负端N的电压为0V，低压正端L的电压为800V，母线正端P的电压为900V，C1、C2参数一致时母线中间节点M的电压为450V。根据前述对飞跨电容Cfly进行电压均衡控制的设定，飞跨电容Cfly的电压可以高于C1、C2的电压，例如可以为500V。

在T4或D4导通的情况下，则第二中间节点SN的电压为0V，第一中间节点SP的电压为500V，如图16中的a示例所示，此时由于SP的电压高于M的电压，因而保护电路中的第一嵌位器件D5不会导通，保护电路不参与该直流变换器的正常工作。

在T1或D1导通的情况下，则第一中间节点SP的电压为900V，第二中间节点SN的电压为400V，如图16中的b示例所示，此时由于SN的电压低于M的电压，因而保护电路中的第二嵌位器件D6不会导通，保护电路不参与该直流变换器的正常工作。

通过以上分析可以看出，采用图8所示的直流变换器，由于飞跨电容Cfly电压的控制设定，使得在正常工作状况下保护电路不参与直流变换器的工作，从而使得该直流变换器可以保持未设置保护电路之前的原有性能。

图17为直流变换器的母线电压突然变高的异常工作状况。在异常工况发生前，该直流变换器工作在正常工况，例如图16所示的工作状况。当母线电压突然变高的异常工况发生时，母线正端P的电压突变为一个较高值，例如1400V，则母线中间节点M跟随突变为700V。

在T4或D4导通的情况下，第二中间节点SN的电压为0V，如图17的a示例所示；由于飞跨电容Cfly的电压还未发生突变，仍保持为异常工况发生前的500V，故第一中间节点SP的电压为500V，如果该直流变换器中未设置保护电路(即如图1所示的电路拓扑)，则T1、D1两端将承担900V电压，存在过压损坏风险；而本申请实施例中增加了保护电路以后，可以通过母线中间节点M→R0→D5→SP→Cfly→SN这一充电路径对Cfly进行充电，如图17的a示例中的箭头方向所示，并最终将飞跨电容Cfly充电至与C2相等的电压700V；与此同时，T1、D1由R0、D5嵌位至C1两端的电压(即700V)，从而避免了过压损坏风险。

在T1或D1导通的情况下，第一中间节点SP的电压为1400V，如图17的b示例所示；由于飞跨电容Cfly的电压还未发生突变，仍保持为异常工况发生前的500V，故第二中间节点SN的电压为900V，如果该直流变换器中未设置保护电路(即如图1所示的电路拓扑)，则T4、D4两端将承担900V电压，存在过压损坏风险；而本申请实施例中增加了保护电路以后，可以通过SP→Cfly→SN→D6→R0→M这一充电路径对Cfly进行充电，如图17的b示例中的箭头方向所示，并最终将飞跨电容Cfly充电至与C1相等的电压700V；与此同时，T4、D4由D6、R0嵌位至C2两端的电压(即700V)，从而避免了过压损坏风险。

因此，与图1所示的变换电路相比，采用图8所示的直流变换器可以在母线电压突然变高时实现对开关器件的保护，降低开关器件过压损坏的风险。

此外，与图2所示的变换电路相比，采用图8所示的直流变换器，由于保护电路中设置有缓冲单元(即R0)，因而可以有效降低飞跨电容Cfly充电时的电流冲击，例如可以通过设置R0的阻值来改变充电电流的大小；同时，由于飞跨电容Cfly的电压设定大于C1两端的电压且大于C2两端的电压，因而可以降低异常工况时飞跨电容Cfly的瞬时电压与充电最终电压之间的差值，从而进一步降低飞跨电容充电时的电流冲击，提高充电回路中各器件的可靠性。

以上通过图8所示的直流变换器对本申请实施例提供的直流变换器在预充电、正常工况以及异常工况(低压正端L接入负电压、母线电压突然变高)时的工作状态进行了详细介绍。本申请实施例提供的其他直流变换器的工作状态与图8所示的直流变换器的工作原理类似，区别仅在于一些细微的调节。

例如，图9所示的直流变换器与图8所示的直流变换器的区别仅在于开关器件的分布，二者的工作原理相同；图10所示的直流变换器为单向变换器，与图8所示的直流变换器作为BUCK电路时的工作状态相同；图11所示的直流变换器在图8所示的直流变换器的基础上对第一嵌位器件和第二嵌位器件进行改进，区别仅在于图11中的第一嵌位器件和第二嵌位器件的导通特性(例如导通压降)可以改变，使得直流变换器的调节更为灵活，可以满足不同异常工况下的调节需求；图12所示的直流变换器在图8所示的直流变换器的基础上对缓冲单元进行改进，该直流变换器中的缓冲单元的导通特性可以改变，使得直流变换器的调节更为灵活，可以满足不同异常工况下的调节需求；图13所示的直流变换器通过机械开关使得缓冲单元的阻值可调，从而满足不同异常工况下的调节需求。

因此，本申请实施例中仅针对图8所示的直流变换器的工作状态进行详细分析，其他示例中直流变换器的工作状态可以参见图8中的相关描述，此处不再赘述。

综上，采用本申请实施例提供的直流变换器，当低压正端误接入负电压时，母线负端的电压为0V，低压正端为负电压，因而第三开关器件与第四开关器件导通，第二中间节点的电压为0V。由于该直流变换器还未启动工作，飞跨电容还未进行预充电，故飞跨电容两端的电压为0V，因此第一中间节点的电压也为0V。如果此时第一电容和第二电容已经具有电压，飞跨电容将由母线中间节点，经过保护电路、第一中间节点以及第二中间节点对其进行充电，并最终充电至与第二电容相等的电压；与此同时，第一开关器件由保护电路嵌位至第一电容的电压，避免了过压损坏风险。

当母线正端的电压突然跳高时，飞跨电容可以通过保护电路进行充电，保护电路中的嵌位单元将第一开关器件嵌位至第一电容的电压，将第四开关器件嵌位至第二电容的电压，从而降低了第一开关器件和第四开关器件过压损坏的风险；同时，保护电路中的缓冲单元减小了飞跨电容充电时的电流冲击，从而提高了充电回路中各器件的可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种直流变换器，其特征在于，包括：第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第一电容、第二电容、飞跨电容，以及保护电路；所述第一电容的一端连接母线正端，另一端连接母线中间节点；所述第二电容的一端连接所述母线中间节点，另一端连接母线负端；所述第一开关器件的一端连接所述母线正端，另一端连接第一中间节点；所述第二开关器件的一端连接所述第一中间节点，另一端连接参考端；所述第三开关器件的一端连接所述参考端，另一端连接第二中间节点；所述第四开关器件的一端连接所述第二中间节点，另一端连接所述母线负端；所述飞跨电容的正端连接所述第一中间节点，负端连接所述第二中间节点；所述第一中间节点和所述第二中间节点通过所述保护电路连接至所述母线中间节点；

其中，所述保护电路包含嵌位单元和缓冲单元，所述嵌位单元用于在所述母线正端与所述母线负端之间的电压升高时将所述第一开关器件嵌位至所述第一电容的电压以及将所述第四开关器件嵌位至所述第二电容的电压；所述缓冲单元用于在所述母线正端与所述母线负端之间的电压升高时减小流经所述嵌位单元和所述飞跨电容的电流；

在所述直流变换器启动完成后，所述飞跨电容两端的电压大于所述第一电容的电压，且大于所述第二电容的电压，以使所述母线正端与所述母线负端之间的电压正常时，所述嵌位单元不工作，以及降低异常工况时所述飞跨电容的瞬时电压与充电最终电压之间的差值，降低所述飞跨电容充电时的电流冲击；

所述保护电路还用于在所述直流变换器启动时对所述飞跨电容进行预充电。

2.如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，还包括：

第一电感；其中，所述第一电感的一端连接低压正端，另一端连接所述参考端，所述母线负端与低压负端耦合；或者，所述第一电感的一端连接低压负端，另一端连接所述参考端；所述母线正端与低压正端耦合。

3.如权利要求2所述的直流变换器，其特征在于，所述低压正端与所述低压负端为所述直流变换器的输入端，所述母线正端与所述母线负端为所述直流变换器的输出端；或者，所述母线正端与所述母线负端为所述直流变换器的输入端，所述低压正端与所述低压负端为所述直流变换器的输出端。

4.如权利要求1~3任一项所述的直流变换器，其特征在于，所述嵌位单元包括第一嵌位器件和第二嵌位器件；

其中，所述第一嵌位器件的一端连接所述第一中间节点，所述第一嵌位器件的另一端连接所述第二嵌位器件；所述第二嵌位器件的一端连接所述第二中间节点，另一端连接所述第一嵌位器件；所述缓冲单元的一端连接所述第一嵌位器件与所述第二嵌位器件的连接节点，另一端连接所述母线中间节点。

5.如权利要求4所述的直流变换器，其特征在于，所述第一嵌位器件为第一二极管，所述第二嵌位器件为第二二极管；或者，所述第一嵌位器件为第一绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与之反并联的二极管，所述第二嵌位器件为第二IGBT以及与之反并联的二极管；或者，所述第一嵌位器件为第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET及其体二极管，所述第二嵌位器件为第二MOSFET及其体二极管；

其中，所述第一嵌位器件中的二极管的阴极连接所述第一中间节点，阳极连接所述第二嵌位器件中的二极管的阴极；所述第二嵌位器件中的二极管的阳极连接所述第二中间节点。

6.如权利要求1~5任一项所述的直流变换器，其特征在于，所述缓冲单元包括以下至少一种：

第一缓冲电阻；

第三IGBT以及与之反并联的二极管、第四IGBT以及与之反并联的二极管，所述第三IGBT与所述第四IGBT对顶连接；

第三MOSFET及其体二极管、第四MOSFET及其体二极管，所述第三MOSFET与所述第四MOSFET对顶连接；

第二缓冲电阻、第三缓冲电阻、第五开关器件，所述第二缓冲电阻和所述第三缓冲电阻串联，所述第五开关器件与所述第三缓冲电阻并联。

7.如权利要求6所述的直流变换器，其特征在于，所述第五开关器件为以下任一种：

机械开关器件；

第五IGBT以及与之反并联的二极管；

第五MOSFET及其体二极管。

8.如权利要求1~7任一项所述的直流变换器，其特征在于，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件和所述第四开关器件均由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成；或者，

所述第一开关器件、所述第二开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成，所述第三开关器件、所述第四开关器件由二极管组成；或者，

所述第一开关器件、所述第二开关器件由二极管组成；所述第三开关器件、所述第四开关器件由IGBT及其反并联二极管或者MOSFET及其体二极管组成。