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，江蘇 南京 210016）

??? 摘? 要：三電平直流變換器不僅可以降低開關管的電壓應力，同時還可以大大減小儲能電感和電容。但是6種不隔離的三電平變換器的輸入輸出不共地，其應用范圍受到限制。該文引入隔直電容的概念，對這6種不隔離的三電平變換器進行改進，使其輸入與輸出共地，同時保留其所有優點：① 開關管電壓應力只有其原型電路的一半；② 儲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行分析和實驗驗證。
?? 關鍵詞：三電平變換器；脈寬調制；交錯控制

1 ?引言
?? 零電壓開關三電平直流變換器（Zero-Voltage- Switching Three-Level dc/dc Converter，ZVS TL變換器）的最大優點是它的開關管電壓應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用場合^[1]。該TL變換器實質上是一個半橋變換器，因此應更準確地定義為半橋TL變換器。文[2]分析了半橋TL變換器的推導思路，并將該推導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，Flyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的TL變換器。這些變換器中開關管的電壓應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，這個缺點限制了它們的使用范圍。本文對這6種非隔離的TL變換器進行改進，使其輸入與輸出共地，同時保留了它們的優點。本文以Buck TL變換器為例進行了分析和實驗驗證。
2? 隔直電容的提出
??? 圖1(a)是一個非隔離的半橋變換器，E（E₁、E₂、E₃和E₄）和D兩點是一個交變的方波電壓，其幅值為V_in /2。通過由D₁~D₄組成的整流橋后，在AB兩點得到幅值為V_in /2的直流方波電壓。請注意，為了描述方便，這里將E點分解為E₁、E₂、E₃和E₄4個點。
??? 當Q₁導通時，濾波電感電流i_Lf流經分壓電容C_d1、Q₁、E₁E₃段、D₃、L_f、C_f //R_Ld、D₂和CD段，最后回到D點。當Q₂導通時，i_Lf流經分壓電容C_d2、CD段、D₁、L_f、C_f //R_Ld、D₄、E₂E₄段和Q₂，最后回到電源負。由于E₁E₂段和E₃E₄段實際上沒有流過電流，可以將其斷開。而Q₁和D₃是串聯的，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，它實際上就是文[2]提出的Buck TL變換器。
??? 無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導通時，AB兩點電壓均為V_in /2。如果分壓電容電壓不相等，比如V_Cd1>V_Cd2，那么當Q₁導通時，v_AB>V_in/2；而Q₂導通時，v_AB<V_in/2。對于Buck TL變換器，分壓電容電壓不相等還會導致2只開關管電壓應力不相等。
??? 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段串入一個隔直電容。同樣，也可以在Buck TL變換器的CD段串入一個隔直電容C_block，以保證Q₁或Q₂導通時，v_AB=V_in/2，并且使Q₁和Q₂的電壓應力均為V_in/2。

3? 非隔離TL變換器的改進
3.1? Buck TL變換器的改進
??? 在圖1(b)中，穩態工作時，C_block的電壓V_cb為

也升高。如果將C_d1增大到無窮大，這時V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=￥，相當于短路，可以直接用一根導線代替，此時C_d2與輸入電壓并聯，可以省去。這時可以將Q₂移到電源正端，由此可以得到改進后的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
??? 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隔直電容，穩態時，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，V_cb也升高。如果將C_f1增大到無窮大，這時V_{Cf 1}=0，V_{Cf 2}=V_o，而V_cb=V_o /2。由于C_f1=￥，可以直接用導線短接。將D₂移到上面，由此可以得到改進后的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
??? 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隔直電容，穩態時，其電壓為

該變換器的改進可分2步進行。
??? 第1步：C_d2保持不變，將C_d1增大到無窮大，這時V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=￥，可以直接用導線短接，此時C_d2與輸入電壓并聯，可以省去。這時可以將Q₂移到電源正端。
??? 第2步：C_f2保持不變，將C_f1增大到無窮大，這時V_Cf1=0，V_Cf2=V_o，而V_cb=(V_in+V_o)/2。由于C_f1=￥，可以直接用導線短接。將D₂移到上面。由此就得到了改進后的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
??? 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隔直電容，穩態時，其電壓為

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

3.5? Sepic TL變換器的改進
??? 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隔直電容，穩態時，其電壓為

該變換器的改進也可分2步進行。
??? 第1步：C_b1保持不變，將C_b2增大到無窮大，這時V_Cb2=0，V_Cd1=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_b2=￥，可以直接用導線短接。
??? 第2步：C_f2保持不變，將C_f1增大到無窮大，這時V_Cf1=0，V_Cf2=V_o，而V_cb=(V_in-V_o)/2。由于C_f1=￥，可以直接用導線短接。將D₂移到上面。由此就得到了改進后的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
??? 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個隔直電容，穩態時電壓為

??? 該變換器的改進也可分2步進行。
??? 第1步：C_d2保持不變，將C_d1增大到無窮大，這時V_Cd1=0，V_Cd2=V_in，而V_cb=V_in/2。由于C_d1=￥，可以直接用導線短接，此時C_d2與輸入電壓并聯，可以省去。這時可以將Q₂移到電源正端。
??? 第2步：C_b1保持不變，將C_b2增大到無窮大，這時V_Cb2=0，V_Cb1=V_o，而V_cb=(V_in-V_o)/2。由于C_b2=￥，可以直接用導線短接。由此就得到了改進后的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，開關管Q₁和Q₂交錯工作，其驅動信號相差180°相角。隔直電容C_block一般較大，穩態工作時，其電壓為V_cb=V_in/2。圖8給出了開關管的占空比D大于0.5和小于0.5時的主要波形圖，圖9給出了各個開關模態的等效電路。

???? 參考圖8(a)，當D>0.5時，1個開關周期內有4個開關模態，其中[t₀，t₁]和[t₂，t₃]是一樣的，2只開關管同時導通，加在A、B兩點的電壓為V_in，電感電流i_Lf線性上升，如圖9(a)所示。在[t₁，t₂]時段，Q₂關斷，Q₁導通，C_block給負載供電，如圖9(b)所示。此時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]時段，Q₂導通，Q₁關斷，i_Lf流過C_block，如圖9(c)所示。此時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D<0.5時，1個開關周期有4個開關模態，其中[t₁，t₂]和[t₃，t₄]是一樣的，2只開關管同時關斷，如圖9(d)所示，此時v_AB=0，i_Lf線性下降。在[t₀，t₁]時段，Q₁導通，Q₂關斷，C_block給負載供電，此時v_AB=V_cb=V_in/2，i_Lf線性上升，如圖9(b)所示。在[t₂，t₃]時段，Q₂導通，Q₁關斷，i_Lf流過C_block，如圖9(c)所示。此時v_AB=V_in-V_cb=V_in/2，i_Lf線性上升。

4.2? 輸入、輸出關系
??? 從圖8(a)中可以得到


式中? T_s為開關周期；T_on為開關管的導通時間；T_off為開關管的截止時間。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，當電感電流連續時，輸出電壓與輸入電壓的比值為D，這與傳統的Buck變換器是完全一樣。當電感電流斷續時，Buck TL變換器的輸出電壓與輸入電壓的關系與傳統的Buck變換器是類似的，限于篇幅這里不再詳細討論。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
??? 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：
??? （1）開關管和續流二極管的電壓應力為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? 實驗驗證
??? 為了驗證改進的TL變換器的工作原理，在實驗室完成了一個Buck TL變換器的原理樣機，其主要參數為：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交錯工作，其驅動信號相差180o相角。
??? 圖10(a)和(b)分別給出了當輸入電壓為250V時，占空比大于0.5和小于0.5時的實驗波形。從中可以看出，開關管Q₁和Q₂的電壓應力為125V，是輸入電壓的一半。濾波器上電壓的頻率為100kHz，為開關頻率的2倍，濾波電感電流的脈動頻率也為開關頻率的2倍。當占空比大于0.5時，濾波器上電壓v_AB在V_in和V_in/2之間變化；當占空比小于0.5時，濾波器上電壓v_AB在V_in/2和0之間變化。無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? 結論
??? 本文首先引入隔直電容的概念，然后對輸入輸出不共地的6種非隔離的TL變換器進行了改進，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：① 開關管的電壓應力為輸入電壓的一半；② 續流二極管的電壓應力為輸入電壓的一半；③ 可以大大減小儲能元件的大小。最后以Buck TL變換器為例進行了分析和實驗驗證。

參考文獻

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[2]? Ruan Xinbo，Li Bin，Qianhong Chen．Three-level converters-A new concept in high voltage DC-to-DC conversion[A]．in Proc. IEEE PESC[C]．2002：663-668．
[3]? Meynard T A，Foch H．Multi-level conversion: high voltage choppers and voltage-source inverters[A]．IEEE PESC[C]．1992：397-403．
[4]? 李斌（Li Bin）．三電平直流變換器的研究（Research on three-level DC-DC converter）[D]．南京：南京航空航天大學（Nanjing：Nanjing University Aeronautics & Astronautics），2002．