非隔離三電平變換器中分壓電容均壓的一種方法

阮新波，危健，薛雅麗

（南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室，江蘇 南京 210016）

    摘  要：在非隔離三電平變換器中，分壓電容必須是均壓的，以保證開關(guān)管電壓應(yīng)力相等。在實際應(yīng)用中，由于控制電路和/或驅(qū)動電路有差異，開關(guān)管的導(dǎo)通時間不完全相等，使得分壓電容不均壓，這樣開關(guān)管電壓應(yīng)力不相等。為了解決這個問題，該文提出一種均壓方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，確保分壓電容均壓，論文最后給出實驗結(jié)果，以驗證本方法的有效性。
    關(guān)鍵詞：三電平變換器；脈寬調(diào)制；交錯控制

1  引言
    文[1]~[6]所討論的三電平（Three-level，TL）變換器的最大優(yōu)點是它的開關(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)用場合。該TL變換器實質(zhì)上是一個半橋變換器，因此應(yīng)更準確地定義為半橋TL變換器。文[7]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變換器電路拓撲，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。
   在6種非隔離的TL變換器中，為了得到三電平波形，2只開關(guān)管為交錯控制，其驅(qū)動信號相差180°相角。為了確保TL變換器正常工作，其分壓電容必須均壓。在實際應(yīng)用中，由于控制電路和/或驅(qū)動電路總有微小差異，開關(guān)管的導(dǎo)通時間不可能完全相等，這樣使得分壓電容不均壓，因此開關(guān)管電壓應(yīng)力也不相等，三電平波形也不對稱。為了解決這個問題，本文提出一種方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，確保分壓電容均壓，論文最后給出實驗結(jié)果，以驗證本方法的有效性。
2  分壓電容不均壓的原因
2.1  Buck變換器的工作原理
    圖1給出了6種非隔離的TL變換器，下面以Buck TL變換器為例分析分壓電容不均壓的原因。
    圖2給出了Buck TL變換器的主要波形。Q₁和Q₂為交錯控制，其驅(qū)動信號相差180º相角。
    當(dāng)開關(guān)管的占空比D>0.5時，在1個開關(guān)周期，一段時間內(nèi)2只開關(guān)管同時導(dǎo)通，輸入電壓為負載提供能量，濾波器上的電壓v_AB=V_in；一段時間內(nèi)只有Q₁或Q₂導(dǎo)通，此時分壓電容C_d1或C_d2向負載提供能量，v_AB= V_in/2。當(dāng)開關(guān)管的占空比D<0.5時，在1個開關(guān)周期，一段時間內(nèi)只有Q₁或Q₂導(dǎo)通，此時分壓電容C_d1或C_d2向負載提供能量，v_AB=V_in/2；一段時間內(nèi)2只開關(guān)管同時關(guān)斷，濾波電感電流通過D₁或D₂續(xù)流，v_AB=0。無論占空比大于或小于0.5，當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為V_o /V_in=D

2.2  分壓電容不均壓的原因
    在1個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)只有1只開關(guān)管導(dǎo)通時，2只分壓電容輪流為負載提供能量。如果2只開關(guān)管的占空比完全相等，且開關(guān)管的特性完全相同，那么2只分壓電容在1個開關(guān)周期內(nèi)提供的能量完全相等，其電壓是均衡的，均為輸入電壓V_in的一半，即V_Cd1 =V_Cd2=V_in/2。此時2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為V_in/2，當(dāng)只有1只開關(guān)管導(dǎo)通時，加在濾波器兩端的電壓v_AB=V_in/2。
    采用交錯控制的控制電路框圖及其主要波形如圖3所示。時鐘信號C₁和C₂相差180º，它們分別對應(yīng)的鋸齒波V_RAMP1和V_RAMP2也相差180º，電壓誤差放大器的輸出信號V_{EA_Vo}分別與V_RAMP1和V_RAMP2相比較，再通過2個RS觸發(fā)器得到相差180º的驅(qū)動信號Q₁和Q₂。
    在實際電路中，2個鋸齒波不可能做到完全匹配，同時開關(guān)管的驅(qū)動電路以及開關(guān)管的開關(guān)特性也不可能完全相同，因此2只開關(guān)管的占空比必然存在一定的差異，這樣2只分壓電容在1個周期內(nèi)所提供的能量不可能相等，其電壓將1個高于V_in/2，另1個低于V_in /2。在圖4中，假如Q₁的導(dǎo)通時間比Q₂多Dt，此時在1個周期內(nèi)C_d1比C_d2提供的能量多，C_d1的電壓低于V_in /2，而C_d2的電壓高于V_in/2。相應(yīng)地，Q₁的電壓應(yīng)力低于V_in/2，而Q₂的電壓應(yīng)力高于V_in/2。當(dāng)只有Q₁導(dǎo)通時，v_AB低于V_in/2，而當(dāng)只有Q₂導(dǎo)通時，v_AB高于V_in/2，因此v_AB是不對稱的。顯然此時Buck TL變換器不能正常工作。

3  分壓電容均壓的方法
3.1  Buck TL變換器
   為了使Buck TL變換器正常工作，必須確保分壓電容均壓，因此需要對開關(guān)管的占空比進行修正。圖5給出了帶有分壓電容均壓電路的交錯控制電路框圖及其主要波形。在圖5(b)中，2個鋸齒波的電壓幅值不相等，V_RAMP1的電壓幅值大于V_RAMP2的電壓幅值，如果沒有分壓電容均壓電路，Q₁的占空比比Q₂的占空比小，這樣C_d1的電壓比C_d2的電壓高。

    為了確保分壓電容均壓，只要保證其中1只分壓電容電壓為V_in/2就可以了，由于C_d2與輸入電源共地，因此可選擇C_d2作為控制對象，使其電壓為V_in/2。將C_d2的電壓和輸入電壓V_in進行采樣后進行比較，其誤差經(jīng)誤差放大器后得到V_{EA_Cd}。注意C_d2的電壓和V_in的反饋系數(shù)分別為K_{f_in}和K_{f_in}/2。V_{EA_Cd}作為修正信號與輸出電壓誤差放大器的輸出信號V_{EA_Vo}進行相加后作為誤差信號V_EA1。對V_{EA_Cd}進行反向后作為修正信號與輸出電壓誤差放大器的輸出信號V_{EA_Vo}進行相加后作為誤差信號V_EA2。
    在圖5(b)中，由于C_d2的電壓低于V_in/2，那么V_{EA_Cd}為正，它使V_EA1升高，使Q₁的占空比增大。與此同時-V_EA1為負，它使V_EA2降低，使Q₂的占空比減小。通過對占空比的一加一減，使C_d2的電壓升高，C_d1的電壓降低，這樣就使2個分壓電容電壓均為V_in/2，從而達到均壓的目的。相反地，如果C_d2的電壓高于V_in/2，那么V_{EA_Cd}為負，它使V_EA1降低，使Q₁的占空比減小。與此同時，-V_EA1為正，它使V_EA2升高，使Q₂的占空比增大。通過對占空比的一加一減，使C_d2的電壓降低，C_d1的電壓升高，這樣就使2個分壓電容電壓均為V_in/2。

    實際上，也可以只對Q₁的占空比進行修正，同樣可以達到分壓電容均壓的目的，但這種方法不如前一種方法效果好。
3.2  其他非隔離TL變換器
    該均壓方法可以應(yīng)用到其它5種非隔離TL變換器中，只不過是所控制的對象略有不同。表1給出了各非隔離TL變換器中均壓電路的2個反饋信號。
    對于Boost TL變換器，需要保證2個輸出濾波電容均壓，其均壓電路的反饋信號分別為V_o和V_cd2。Cuk TL變換器需要保證2個中間儲能電容C_b1和C_b2均壓，其均壓電路的反饋信號分別為V_in+V_o和V_cb2。Buck-Boost TL變換器有2個輸入濾波電容和2個輸出濾波電容，Sepic TL變換器有2個輸出濾波電容和2個中間儲能電容，Zeta TL變換器有2個輸入濾波電容和2個中間儲能電容，對于這3種變換器，只要保證其中一對分壓電容均壓，就可以保證另一對分壓電容均壓?？紤]到電壓反饋的方便性，Buck-Boost TL變換器均壓電路的反饋信號分別為V_cf1和V_o；Sepic TL變換器均壓電路的反饋信號分別為V_o和V_cf2；Zeta TL變換器均壓電路的反饋信號分別為V_in和V_cd2。

4  實驗驗證
    為了驗證均壓電路的可行性，我們選擇Buck TL變換器進行了實驗驗證。變換器的輸入電壓為220~300V直流電壓，輸出電壓為200V直流電壓，額定輸出電流為10A，開關(guān)頻率為50kHz。
    圖6給出了Buck TL變換器采用均壓電路前后的實驗波形。在采用均壓電路之前，輸入分壓電容不均壓，2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力不相等，v_AB在本應(yīng)為V_in/2時，相鄰的2個電壓不相等，一個高于V_in/2，另一個低于V_in/2，如圖6(a)所示。采用均壓電路后，2只分壓電容電壓相等，2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為V_in/2，并且v_AB真正在V_in和V_in/2之間變化，如圖6(b)所示。
    圖7和圖8給出了Buck TL變換器在輸入電壓和負載突變時的實驗波形。在額定輸出時，當(dāng)輸入電壓從220V突升到300V再突降到220V時，分壓電容C_d2的電壓基本上為輸入電壓的一半，如圖7所示。在輸入電壓為額定電壓250V時，當(dāng)負載從100%負載突變到10%負載再突變到100%負載時，分壓電容C_d2的電壓基本上為輸入電壓的一半，如圖8所示。這里要說明的是，在負載突變時，輸入電壓有一定的變化，這是因為我們所采用的電源不是可編程電源，在不同負載時，電壓有少許變化。圖7和圖8說明均壓電路在輸入電壓和負載突變過程中依然能保證2只分壓電容均壓。

5  結(jié)論
    為了保證非隔離三電平變換器正常工作中，其分壓電容必須均壓。由于實際的控制電路和/或驅(qū)動電路總有一定差異，2只開關(guān)管的導(dǎo)通時間不完全相等，分壓電容不能完全均壓，這樣使得開關(guān)管電壓應(yīng)力不相等。本文提出一種均壓方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，確保分壓電容均壓，實驗結(jié)果驗證了本方法的有效性。

參考文獻

[1]      Pinheiro J R，Barbi I．The three-level zvs pwm converter-A new concept in high-voltage dc-to-dc conversion[A]．IEEE IECON [C]．1992：173-178．
[2]      Pinheiro J R，Barbi I．Wide load range the three-level zvs-pwm dc-to-dc converter[A]．Proceedings of IEEE PESC[C]．1993：171-177．
[3]      Canales F，Barbosa P M，Lee F C．A zero voltage and zero current switching three level dc/dc converter[A]．Proceeding VPEC [C]．1999：126-131．
[4]      Xinbo Ruan，Linquan Zhou，Yangguang Yan．Soft-switching PWM three-level converters[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(5)：612-622．
[5]      Xinbo Ruan，Dayu Xu，Linquan Zhou，et al．Zero-voltage-switching pwm three-level converter with two clamping diodes[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，4(94)：790-799．
[6]      李斌，阮新波（Li Bin，Ruan Xinbo）．倍流整流方式ZVS PWM三電平變換器（Current-Doubler-Rectieier ZVS PWM three-level converlers）[J]．中國電機工程學(xué)報（Proceedings of the CSEE），2002，22(9)：79-83．
[7]      Ruan Xinbo，Li Bin，Chen Qianhong．Three-level converters--A new approach in high voltage DC-to-DC conversion[A]．Proceedings of IEEE PESC[C]．2002：663-668．