非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法

1、非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法 摘摘 要要：在非隔离三电平变换器中，分压电容必须是均压的，以保证开关管电压应力相等。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路有差异，开关管的导通时间不完全相等，使得分压电容不均压，这样开关管电压应力不相等。为了解决这个问题，该文提出一种均压方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。 关键词关键词：三电平变换器；脉宽调制；交错控制 1 1 引言引言 文16所讨论的三电平（Three-level，TL）变换器的最大优点是它的开关管电压应力为输入直流电压的一半，

2、因此非常适用于高输入电压中大功率应用场合。该 TL 变换器实质上是一个半桥变换器，因此应更准确地定义为半桥 TL 变换器。文7分析了半桥 TL 变换器的推导思路，并将该推导思路推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族 TL 变换器电路拓扑，包括Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic，Zeta 等 6 种非隔离的 TL 变换器，以及Forward，Flyback，Push-Pull，半桥和全桥等隔离的 TL 变换器，这些变换器中开关管的电压应力为其原型电路的一半，其中 6 种非隔离的 TL 变换器和全桥 TL 变换器还可以得到三电平波形，从而大大减小滤波元件的大小。 在

3、6 种非隔离的 TL 变换器中，为了得到三电平波形，2 只开关管为交错控制，其驱动信号相差 180相角。为了确保 TL 变换器正常工作，其分压电容必须均压。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路总有微小差异，开关管的导通时间不可能完全相等，这样使得分压电容不均压，因此开关管电压应力也不相等，三电平波形也不对称。为了解决这个问题，本文提出一种方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。2 2 分压电容不均压的原因分压电容不均压的原因2.12.1 BuckBuck 变换器的工作原理变换器的工作原理 图 1 给出了 6 种非隔离的 TL 变换器，

4、下面以 Buck TL 变换器为例分析分压电容不均压的原因。 图 2 给出了 Buck TL 变换器的主要波形。Q1和 Q2为交错控制，其驱动信号相差 180 相角。 当开关管的占空比D0.5 时，在 1 个开关周期，一段时间内 2 只开关管同时导通，输入电压为负载提供能量，滤波器上的电压vAB=Vin；一段时间内只有 Q1或 Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB= Vin/2。当开关管的占空比D0.5 时，在 1 个开关周期，一段时间内只有 Q1或 Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB=Vin/2；一段时间内 2 只开关管同时关断，滤波电感电流通过

5、 D1或 D2续流，vAB=0。无论占空比大于或小于 0.5，当滤波电感电流连续时，输出电压与输入电压的关系为Vo /Vin=D2.22.2 分压电容不均压的原因分压电容不均压的原因 在 1 个开关周期内，当只有 1 只开关管导通时，2 只分压电容轮流为负载提供能量。如果2 只开关管的占空比完全相等，且开关管的特性完全相同，那么 2 只分压电容在 1 个开关周期内提供的能量完全相等，其电压是均衡的，均为输入电压Vin的一半，即VCd1 =VCd2=Vin/2。此时2 只开关管的电压应力均为Vin/2，当只有 1 只开关管导通时，加在滤波器两端的电压vAB=Vin/2。 采用交错控制的控制电路框

6、图及其主要波形如图 3 所示。时钟信号C1和C2相差 180，它们分别对应的锯齿波VRAMP1和VRAMP2也相差 180，电压误差放大器的输出信号VEA_Vo分别与VRAMP1和VRAMP2相比较，再通过 2 个 RS 触发器得到相差 180 的驱动信号 Q1和 Q2。 在实际电路中，2 个锯齿波不可能做到完全匹配，同时开关管的驱动电路以及开关管的开关特性也不可能完全相同，因此 2 只开关管的占空比必然存在一定的差异，这样 2 只分压电容在 1 个周期内所提供的能量不可能相等，其电压将 1 个高于Vin/2，另 1 个低于Vin /2。在图 4中，假如 Q1的导通时间比 Q2多 Dt，此时在

7、 1 个周期内Cd1比Cd2提供的能量多，Cd1的电压低于Vin /2，而Cd2的电压高于Vin/2。相应地，Q1的电压应力低于Vin/2，而 Q2的电压应力高于Vin/2。当只有 Q1导通时，vAB低于Vin/2，而当只有 Q2导通时，vAB高于Vin/2，因此vAB是不对称的。显然此时 Buck TL 变换器不能正常工作。3 3 分压电容均压的方法分压电容均压的方法3.13.1 BuckBuck TLTL 变换器变换器 为了使 Buck TL 变换器正常工作，必须确保分压电容均压，因此需要对开关管的占空比进行修正。图 5 给出了带有分压电容均压电路的交错控制电路框图及其主要波形。在图 5(

8、b)中，2个锯齿波的电压幅值不相等，VRAMP1的电压幅值大于VRAMP2的电压幅值，如果没有分压电容均压电路，Q1的占空比比 Q2的占空比小，这样Cd1的电压比Cd2的电压高。 为了确保分压电容均压，只要保证其中 1 只分压电容电压为Vin/2 就可以了，由于Cd2与输入电源共地，因此可选择Cd2作为控制对象，使其电压为Vin/2。将Cd2的电压和输入电压Vin进行采样后进行比较，其误差经误差放大器后得到VEA_Cd。注意Cd2的电压和Vin的反馈系数分别为Kf_in和Kf_in/2。VEA_Cd作为修正信号与输出电压误差放大器的输出信号VEA_Vo进行相加后作为误差信号VEA1。对VEA_

9、Cd进行反向后作为修正信号与输出电压误差放大器的输出信号VEA_Vo进行相加后作为误差信号VEA2。 在图 5(b)中，由于Cd2的电压低于Vin/2，那么VEA_Cd为正，它使VEA1升高，使 Q1的占空比增大。与此同时-VEA1为负，它使VEA2降低，使 Q2的占空比减小。通过对占空比的一加一减，使Cd2的电压升高，Cd1的电压降低，这样就使 2 个分压电容电压均为Vin/2，从而达到均压的目的。相反地，如果Cd2的电压高于Vin/2，那么VEA_Cd为负，它使VEA1降低，使 Q1的占空比减小。与此同时，-VEA1为正，它使VEA2升高，使 Q2的占空比增大。通过对占空比的一加一减，使C

10、d2的电压降低，Cd1的电压升高，这样就使 2 个分压电容电压均为Vin/2。 实际上，也可以只对 Q1的占空比进行修正，同样可以达到分压电容均压的目的，但这种方法不如前一种方法效果好。3.23.2 其他非隔离其他非隔离 TLTL 变换器变换器 该均压方法可以应用到其它 5 种非隔离 TL 变换器中，只不过是所控制的对象略有不同。表1 给出了各非隔离 TL 变换器中均压电路的 2 个反馈信号。 对于 Boost TL 变换器，需要保证 2 个输出滤波电容均压，其均压电路的反馈信号分别为Vo和Vcd2。Cuk TL 变换器需要保证 2 个中间储能电容Cb1和Cb2均压，其均压电路的反馈信号分别为

11、Vin+Vo和Vcb2。Buck-Boost TL 变换器有 2 个输入滤波电容和 2 个输出滤波电容，Sepic TL变换器有 2 个输出滤波电容和 2 个中间储能电容，Zeta TL 变换器有 2 个输入滤波电容和 2 个中间储能电容，对于这 3 种变换器，只要保证其中一对分压电容均压，就可以保证另一对分压电容均压。考虑到电压反馈的方便性，Buck-Boost TL 变换器均压电路的反馈信号分别为Vcf1和Vo；Sepic TL 变换器均压电路的反馈信号分别为Vo和Vcf2；Zeta TL 变换器均压电路的反馈信号分别为Vin和Vcd2。4 4 实验验证实验验证 为了验证均压电路的可行性，

12、我们选择 Buck TL 变换器进行了实验验证。变换器的输入电压为 220300V 直流电压，输出电压为 200V 直流电压，额定输出电流为 10A，开关频率为50kHz。 图 6 给出了 Buck TL 变换器采用均压电路前后的实验波形。在采用均压电路之前，输入分压电容不均压，2 只开关管的电压应力不相等，vAB在本应为Vin/2 时，相邻的 2 个电压不相等，一个高于Vin/2，另一个低于Vin/2，如图 6(a)所示。采用均压电路后，2 只分压电容电压相等，2 只开关管的电压应力均为Vin/2，并且vAB真正在Vin和Vin/2 之间变化，如图 6(b)所示。 图 7 和图 8 给出了

13、Buck TL 变换器在输入电压和负载突变时的实验波形。在额定输出时，当输入电压从 220V 突升到 300V 再突降到 220V 时，分压电容Cd2的电压基本上为输入电压的一半，如图 7 所示。在输入电压为额定电压 250V 时，当负载从 100%负载突变到 10%负载再突变到 100%负载时，分压电容Cd2的电压基本上为输入电压的一半，如图 8 所示。这里要说明的是，在负载突变时，输入电压有一定的变化，这是因为我们所采用的电源不是可编程电源，在不同负载时，电压有少许变化。图 7 和图 8 说明均压电路在输入电压和负载突变过程中依然能保证 2 只分压电容均压。5 5 结论结论 为了保证非隔离

14、三电平变换器正常工作中，其分压电容必须均压。由于实际的控制电路和/或驱动电路总有一定差异，2 只开关管的导通时间不完全相等，分压电容不能完全均压，这样使得开关管电压应力不相等。本文提出一种均压方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，实验结果验证了本方法的有效性。参考文献参考文献1 Pinheiro J R，Barbi IThe three-level zvs pwm converter-A new concept in high-voltage DC-to-DC conversionAIEEE IECON C1992：173-1782 Pinheiro J R，Barbi IWid

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