三電平DC/DC變換器的拓撲結構及其滑模控制方法

摘要：首先闡述了三電平DC/DC變換器拓撲的推導過程，給出了6種非隔離三電平DC/DC變換器和5種隔離三電平DC/DC變換器拓撲結構；分析了三電平DC/DC變換器中，如何設計濾波電路的參數以提高其動態品質；最后以Buck三電平變換器和BuckBoost三電平變換器為例，分析了滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應用前景。

關鍵詞：三電平；DC/DC變換器；滑模控制

1 引言

J.Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關三電平DC/DC變換器^[1]，該變換器的開關應力為輸入直流電壓的1/2，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應用場合。因此，三電平DC/DC變換器引起了廣泛關注，得到了長足發展。目前，三電平技術在已有的DC/DC變換器中，均得到了很好的應用。部分三電平DC/DC變換器在降低開關應力的同時，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動態特性。三電平技術的應用，充分體現了“采用有源控制的方式減小無源元件體積”的學術思想。

2 三電平DC/DC變換器拓撲的推導與發展

2.1 三電平兩種開關單元

文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過程：用2只開關管串聯代替1只開關管以降低電壓應力，并引入1只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個相等的電壓源)確保2只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出2個三電平開關單元如圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陽極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陰極單元。

2.2 六種非隔離三電平DC/DC變換器

三電平DC/DC變換器的推導過程可以總結為以下三個步驟：一是將基本變換器的開關管替換為相互串聯的2只開關管；二是尋找或構成箝位電壓源；三是從箝位電壓源的中點引入1只箝位二極管到相互串聯的2只開關管的中點，箝位二極管的放置與2只開關管與箝位電壓源聯接的地方有關。

為了確保2只開關管的電壓應力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開關單元共同組成。文獻[2]所分析的半橋式三電平DC/DC變換器的推導思路，可以推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族三電平DC/DC變換器拓撲，包括Buck，Boost，BuckBoost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的三電平DC/DC變換器，但是這6種非隔離的三電平DC/DC變換器的輸入與輸出是不共地的，這個缺點限制了它們的使用范圍。

(a) 三電平陽極單元 (b) 三電平陰極單元

圖1 兩種三電平開關單元

文獻[10]提出將隔直電容引入到輸入輸出不共地的非隔離三電平DC/DC變換器中，并對變換器結構進行改進，使其輸入與輸出共地。改進后的變換器保留了改進前的變換器的所有優點，即：開關管的電壓應力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲能元件的參數；續流二極管的電壓應力為輸入電壓的1/2。圖2所示為6種輸入輸出共地的非隔離三電平DC/DC變換器。

(a)Buck三電平DC/DC變換器(b)Boost三電平DC/DC變換器(c)Buck-Boost三電平DC/DC變換器

(d)Cuk三電平DC/DC變換器(e)Sepic三電平DC/DC變換器(f)Zeta三電平DC/DC變換器

圖2 非隔離式三電平DC/DC變換器

2.3 五種隔離三電平DC/DC變換器

同理，可以推導出Forward，Flyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的三電平DC/DC變換器[2]，如圖3所示。

(a) Forward三電平DC/DC變換器

(b)Flyback三電平DC/DC變換器

雙控開關相關文章:雙控開關原理

上一頁 1 2 3 下一頁