輸入輸出共地的三電平變換器

阮新波，危健，薛雅麗

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

    摘  要：三電平直流變換器不僅可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時(shí)還可以大大減小儲(chǔ)能電感和電容。但是6種不隔離的三電平變換器的輸入輸出不共地，其應(yīng)用范圍受到限制。該文引入隔直電容的概念，對(duì)這6種不隔離的三電平變換器進(jìn)行改進(jìn)，使其輸入與輸出共地，同時(shí)保留其所有優(yōu)點(diǎn)：① 開關(guān)管電壓應(yīng)力只有其原型電路的一半；② 儲(chǔ)能電感和電容可以大大減小。該文以Buck三電平變換器為例進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
   關(guān)鍵詞：三電平變換器；脈寬調(diào)制；交錯(cuò)控制

1  引言
   零電壓開關(guān)三電平直流變換器（Zero-Voltage- Switching Three-Level dc/dc Converter，ZVS TL變換器）的最大優(yōu)點(diǎn)是它的開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此非常適用于高輸入電壓中大功率應(yīng)用場(chǎng)合^[1]。該TL變換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)半橋變換器，因此應(yīng)更準(zhǔn)確地定義為半橋TL變換器。文[2]分析了半橋TL變換器的推導(dǎo)思路，并將該推導(dǎo)思路推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族TL變換器電路拓?fù)?，包括Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的TL變換器。以及Forward，F(xiàn)lyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的TL變換器。這些變換器中開關(guān)管的電壓應(yīng)力為其原型電路的一半，其中6種非隔離的TL變換器和全橋TL變換器還可以得到三電平波形，從而大大減小濾波元件的大小。
   但是，這6種非隔離的TL變換器的輸入與輸出是不共地的，這個(gè)缺點(diǎn)限制了它們的使用范圍。本文對(duì)這6種非隔離的TL變換器進(jìn)行改進(jìn)，使其輸入與輸出共地，同時(shí)保留了它們的優(yōu)點(diǎn)。本文以Buck TL變換器為例進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2  隔直電容的提出
    圖1(a)是一個(gè)非隔離的半橋變換器，E（E₁、E₂、E₃和E₄）和D兩點(diǎn)是一個(gè)交變的方波電壓，其幅值為V_in /2。通過由D₁~D₄組成的整流橋后，在AB兩點(diǎn)得到幅值為V_in /2的直流方波電壓。請(qǐng)注意，為了描述方便，這里將E點(diǎn)分解為E₁、E₂、E₃和E₄4個(gè)點(diǎn)。
    當(dāng)Q₁導(dǎo)通時(shí)，濾波電感電流i_Lf流經(jīng)分壓電容C_d1、Q₁、E₁E₃段、D₃、L_f、C_f //R_Ld、D₂和CD段，最后回到D點(diǎn)。當(dāng)Q₂導(dǎo)通時(shí)，i_Lf流經(jīng)分壓電容C_d2、CD段、D₁、L_f、C_f //R_Ld、D₄、E₂E₄段和Q₂，最后回到電源負(fù)。由于E₁E₂段和E₃E₄段實(shí)際上沒有流過電流，可以將其斷開。而Q₁和D₃是串聯(lián)的，可以將D₃去掉。同理，也可以將D₄去掉。將該變換器重新整理后得到圖2所示的變換器，它實(shí)際上就是文[2]提出的Buck TL變換器。
    無(wú)論是半橋變換器還是Buck TL變換器，如果2只分壓電容電壓相等，Q₁或Q₂導(dǎo)通時(shí)，AB兩點(diǎn)電壓均為V_in /2。如果分壓電容電壓不相等，比如V_Cd1>V_Cd2，那么當(dāng)Q₁導(dǎo)通時(shí)，v_AB>V_in/2；而Q₂導(dǎo)通時(shí)，v_AB<V_in/2。對(duì)于Buck TL變換器，分壓電容電壓不相等還會(huì)導(dǎo)致2只開關(guān)管電壓應(yīng)力不相等。
    在半橋變換器中，分壓電容電壓如果不相等，ED兩點(diǎn)的交流電壓中有直流分量。為了將直流分量去掉，可以在CD段串入一個(gè)隔直電容。同樣，也可以在Buck TL變換器的CD段串入一個(gè)隔直電容C_block，以保證Q₁或Q₂導(dǎo)通時(shí)，v_AB=V_in/2，并且使Q₁和Q₂的電壓應(yīng)力均為V_in/2。

3  非隔離TL變換器的改進(jìn)
3.1  Buck TL變換器的改進(jìn)
    在圖1(b)中，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，C_block的電壓V_cb為

也升高。如果將C_d1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=¥，相當(dāng)于短路，可以直接用一根導(dǎo)線代替，此時(shí)C_d2與輸入電壓并聯(lián)，可以省去。這時(shí)可以將Q₂移到電源正端，由此可以得到改進(jìn)后的Buck TL變換器，如圖2所示，其輸入與輸出是共地的。這里要說明的是，該變換器與文[3]提出的變換器是一樣的。
3.2  Boost TL變換器的改進(jìn)
    圖3(a)是輸入輸出不共地的Boost TL變換器，同樣可以在交流段串入一個(gè)隔直電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其電壓為

C_f2保持不變，增大C_f1，那么V_Cf1將降低，V_{Cf 2}將升高。與此同時(shí)，V_cb也升高。如果將C_f1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_{Cf 1}=0，V_{Cf 2}=V_o，而V_cb=V_o /2。由于C_f1=¥，可以直接用導(dǎo)線短接。將D₂移到上面，由此可以得到改進(jìn)后的Boost TL變換器，如圖3(b)所示，其輸入輸出是共地的。值得說明的是，該變換器與文[3]提出的變換器是一樣的。

3.3  Buck-Boost TL變換器的改進(jìn)
    圖4(a)是輸入輸出不共地的Buck-Boost TL變換器，同樣可以在交流段串入一個(gè)隔直電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其電壓為

該變換器的改進(jìn)可分2步進(jìn)行。
    第1步：C_d2保持不變，將C_d1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=¥，可以直接用導(dǎo)線短接，此時(shí)C_d2與輸入電壓并聯(lián)，可以省去。這時(shí)可以將Q₂移到電源正端。
    第2步：C_f2保持不變，將C_f1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cf1=0，V_Cf2=V_o，而V_cb=(V_in+V_o)/2。由于C_f1=¥，可以直接用導(dǎo)線短接。將D₂移到上面。由此就得到了改進(jìn)后的Boost TL變換器，如圖4(b)所示，其輸入與輸出是共地的。

3.4  Cuk TL變換器的改進(jìn)
    圖5是輸入輸出不共地的Cuk TL變換器，也可在交流段串入一個(gè)隔直電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其電壓為

可以直接用導(dǎo)線短接，由此可以得到改進(jìn)后的Cuk TL變換器，其輸入輸出是共地的。

3.5  Sepic TL變換器的改進(jìn)
    圖6(a)是輸入輸出不共地的Sepic TL變換器，同樣可以在交流段串入一個(gè)隔直電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)，其電壓為

該變換器的改進(jìn)也可分2步進(jìn)行。
    第1步：C_b1保持不變，將C_b2增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cb2=0，V_Cd1=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_b2=¥，可以直接用導(dǎo)線短接。
    第2步：C_f2保持不變，將C_f1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cf1=0，V_Cf2=V_o，而V_cb=(V_in-V_o)/2。由于C_f1=¥，可以直接用導(dǎo)線短接。將D₂移到上面。由此就得到了改進(jìn)后的Sepic TL變換器，如圖6(b)所示，其輸入與輸出是共地的。

3.6  Zeta TL變換器的改進(jìn)
    圖7(a)是輸入輸出不共地的Zeta TL變換器，也可在交流段串入1個(gè)隔直電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓為

    該變換器的改進(jìn)也可分2步進(jìn)行。
    第1步：C_d2保持不變，將C_d1增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=¥，可以直接用導(dǎo)線短接，此時(shí)C_d2與輸入電壓并聯(lián)，可以省去。這時(shí)可以將Q₂移到電源正端。
    第2步：C_b1保持不變，將C_b2增大到無(wú)窮大，這時(shí)V_Cb2=0，V_Cb1=V_o，而V_cb=(V_in-V_o)/2。由于C_b2=¥，可以直接用導(dǎo)線短接。由此就得到了改進(jìn)后的Zeta TL變換器，如圖7(b)所示，其輸入與輸出是共地的。
4  輸入輸出共地的Buck TL變換器
4.1  工作原理
    本節(jié)以Buck TL變換器為例討論輸入輸出共地的TL變換器的工作原理及其特性。參考圖2，開關(guān)管Q₁和Q₂交錯(cuò)工作，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°相角。隔直電容C_block一般較大，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，其電壓為V_cb=V_in/2。圖8給出了開關(guān)管的占空比D大于0.5和小于0.5時(shí)的主要波形圖，圖9給出了各個(gè)開關(guān)模態(tài)的等效電路。

     參考圖8(a)，當(dāng)D>0.5時(shí)，1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有4個(gè)開關(guān)模態(tài)，其中[t₀，t₁]和[t₂，t₃]是一樣的，2只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，加在A、B兩點(diǎn)的電壓為V_in，電感電流i_Lf線性上升，如圖9(a)所示。在[t₁，t₂]時(shí)段，Q₂關(guān)斷，Q₁導(dǎo)通，C_block給負(fù)載供電，如圖9(b)所示。此時(shí)v_AB=V_cb=V_in/2，i_Lf線性下降，加在Q₂和D₁上的電壓為V_in /2。在[t₃，t₄]時(shí)段，Q₂導(dǎo)通，Q₁關(guān)斷，i_Lf流過C_block，如圖9(c)所示。此時(shí)v_AB=V_in-V_cb=V_in/2，i_Lf線性下降，加在Q₁和D₂上的電壓為V_in/2。
    參考圖8(b)，當(dāng)D<0.5時(shí)，1個(gè)開關(guān)周期有4個(gè)開關(guān)模態(tài)，其中[t₁，t₂]和[t₃，t₄]是一樣的，2只開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，如圖9(d)所示，此時(shí)v_AB=0，i_Lf線性下降。在[t₀，t₁]時(shí)段，Q₁導(dǎo)通，Q₂關(guān)斷，C_block給負(fù)載供電，此時(shí)v_AB=V_cb=V_in/2，i_Lf線性上升，如圖9(b)所示。在[t₂，t₃]時(shí)段，Q₂導(dǎo)通，Q₁關(guān)斷，i_Lf流過C_block，如圖9(c)所示。此時(shí)v_AB=V_in-V_cb=V_in/2，i_Lf線性上升。

4.2  輸入、輸出關(guān)系
    從圖8(a)中可以得到


式中  T_s為開關(guān)周期；T_on為開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間；T_off為開關(guān)管的截止時(shí)間。定義D＝T_on/T_s為占空比。
    從圖8(b)中可以得到

從式(7)和(8)可以看出，當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的比值為D，這與傳統(tǒng)的Buck變換器是完全一樣。當(dāng)電感電流斷續(xù)時(shí)，Buck TL變換器的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系與傳統(tǒng)的Buck變換器是類似的，限于篇幅這里不再詳細(xì)討論。輸入輸出共地的Buck TL變換器的外特性與輸入輸出不共地的Buck TL變換器的外特性^[4]是完全一樣的。
4.3  特點(diǎn)
    前面的分析表明，輸入輸出共地的Buck TL變換器保留了輸入輸出不共地的Buck TL變換器的所有特點(diǎn)：
    （1）開關(guān)管和續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為V_in /2；
    （2）v_AB可以得到三電平波形，濾波電感和電容可以大大減小。
5  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    為了驗(yàn)證改進(jìn)的TL變換器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室完成了一個(gè)Buck TL變換器的原理樣機(jī)，其主要參數(shù)為：輸入直流電壓為V_in=220~300V，輸出電壓為V_o=200V，額定輸出電流為I_o=5A，開關(guān)頻率為f_s=50kHz，阻斷電容C_block=4mF；濾波電感為L_f=350 mH，濾波電容為C_f=330 mF。與輸入輸出不共地的Buck TL變換器一樣^[4]，Q₁和Q₂交錯(cuò)工作，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180º相角。
    圖10(a)和(b)分別給出了當(dāng)輸入電壓為250V時(shí)，占空比大于0.5和小于0.5時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。從中可以看出，開關(guān)管Q₁和Q₂的電壓應(yīng)力為125V，是輸入電壓的一半。濾波器上電壓的頻率為100kHz，為開關(guān)頻率的2倍，濾波電感電流的脈動(dòng)頻率也為開關(guān)頻率的2倍。當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，濾波器上電壓v_AB在V_in和V_in/2之間變化；當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，濾波器上電壓v_AB在V_in/2和0之間變化。無(wú)論占空比大于或小于0.5，其交流分量均小于同等條件下Buck變換器濾波器上電壓的交流分量，因此可以大大減小濾波器的大小。

6  結(jié)論
    本文首先引入隔直電容的概念，然后對(duì)輸入輸出不共地的6種非隔離的TL變換器進(jìn)行了改進(jìn)，使其輸入與輸出共地。改進(jìn)后的變換器保留了改進(jìn)前的變換器的所有優(yōu)點(diǎn)，即：① 開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半；② 續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半；③ 可以大大減小儲(chǔ)能元件的大小。最后以Buck TL變換器為例進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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