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三電平DC-DC變換器[1],該變換器的開關應力為輸入直流電壓的一半,非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應用場合。因此,三電平變換器引起了廣泛關注,得到了長足發(fā)展。目前,三電平技術在已有的DC-DC變換器中,均得到了很好的應用。部分三電平DC-DC變換器在降低開關應力的同時,還大大減小了濾波器的體積,提高了變換器的動態(tài)特性。三電平技術的應用,充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無源器件體積”的學術思想。
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構。而本文是對PWM三電平變換器的控制電路進行分析和設計。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 三電平兩種開關單元
文獻[3]分析了三電平DC-DC變換器的推導過程:用兩只開關管串聯(lián)代替一只開關管以降低電壓應力,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)確保兩只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同,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 兩種三電平開關單元
2.2 Buck 三電平變換器
為了確保兩只開關管的電壓應力相等,三電平變換器一般由上述兩種開關單元共同組成。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)開關管
,
,使
和
導通,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,關斷
,仍然繼續(xù)導通
,則
導通,
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,關斷
,使
繼續(xù)導通,則
導通,
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
J. Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關三電平DC-DC變換器[1],該變換器的開關應力為輸入直流電壓的一半,非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應用場合。因此,三電平變換器引起了廣泛關注,得到了長足發(fā)展。目前,三電平技術在已有的DC-DC變換器中,均得到了很好的應用。部分三電平DC-DC變換器在降低開關應力的同時,還大大減小了濾波器的體積,提高了變換器的動態(tài)特性。三電平技術的應用,充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無源器件體積”的學術思想。
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構。而本文是對PWM三電平變換器的控制電路進行分析和設計。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 三電平兩種開關單元
文獻[3]分析了三電平DC-DC變換器的推導過程:用兩只開關管串聯(lián)代替一只開關管以降低電壓應力,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)確保兩只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同,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。

2.2 Buck 三電平變換器
為了確保兩只開關管的電壓應力相等,三電平變換器一般由上述兩種開關單元共同組成。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)開關管







模態(tài)2:如圖2(b)所示。在






模態(tài)3:如圖2(c)所示。直至



模態(tài)4:如圖2(d)所示。當










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