采用分立元件實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器

1 引言

　　J. Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關(guān)三電平DC-DC變換器[1]，該變換器的開關(guān)應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場合。因此，三電平變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長足發(fā)展。目前，三電平技術(shù)在已有的DC-DC變換器中，均得到了很好的應(yīng)用。部分三電平DC-DC變換器在降低開關(guān)應(yīng)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(tài)特性。三電平技術(shù)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無源器件體積”的學(xué)術(shù)思想。
　　文獻[2]詳細分析了隔離與非隔離的三電平變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。而本文是對PWM三電平變換器的控制電路進行分析和設(shè)計。文中采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。該方法控制電路簡單，易于實現(xiàn)，成本低，可以直接推廣到其它非隔離三電平變換器的控制中。

2 Buck三電平變換器

2.1 三電平兩種開關(guān)單元

　　文獻[3]分析了三電平DC-DC變換器的推導(dǎo)過程：用兩只開關(guān)管串聯(lián)代替一只開關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入一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)確保兩只開關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開關(guān)管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出兩個三電平開關(guān)單元如下圖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。

(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(guān)單元

2.2 Buck 三電平變換器

　　為了確保兩只開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平變換器一般由上述兩種開關(guān)單元共同組成。文獻[3]所分析的半橋式三電平變換器的推導(dǎo)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變換器拓撲。圖2所示為Buck三電平變換器主電路拓撲及其四個工作模態(tài)(開關(guān)管的占空比大于0.5)。
　　模態(tài)1：如圖2(a)所示。在t=0時刻，觸發(fā)開關(guān)管,，使和導(dǎo)通，二極管,則反偏截止，電壓源給電感L充電。
　　模態(tài)2：如圖2(b)所示。在時刻，關(guān)斷，仍然繼續(xù)導(dǎo)通，則導(dǎo)通，截止，電壓源給輸出端供電，電感L放電。
　　模態(tài)3：如圖2(c)所示。直至時刻，控制回路使,導(dǎo)通，出現(xiàn)與模態(tài)1相同的工作過程。
　　模態(tài)4：如圖2(d)所示。當時刻，關(guān)斷，使繼續(xù)導(dǎo)通，則導(dǎo)通，截止，與模態(tài)2的工作過程類似。

(a) 模態(tài)1

(b) 模態(tài)2

(c) 模態(tài)3

(d) 模態(tài)4
圖2 Buck三電平變換器

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