三電平DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其滑模控制方法

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1、三電平DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其滑?？刂品椒ㄗ煮w:大中小關(guān)鍵詞:三電平；DC/DC變換器；滑?？刂????引言???J.RenesPinheiro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1/2，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，三電平DC/DC變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長(zhǎng)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(shí)，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動(dòng)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元件體

2、積”的學(xué)術(shù)思想。2???三電平DC/DC變換器拓?fù)涞耐茖?dǎo)與發(fā)展2.1???三電平兩種開關(guān)單元???文獻(xiàn)[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程：用2只開關(guān)管串聯(lián)代替1只開關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入1只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個(gè)相等的電壓源)確保2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2個(gè)三電平開關(guān)單元如圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱之為陽(yáng)極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱之為陰極單元。2.2???六種非隔離三電平DC/DC變換器???三

3、電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程可以總結(jié)為以下三個(gè)步驟：一是將基本變換器的開關(guān)管替換為相互串聯(lián)的2只開關(guān)管；二是尋找或構(gòu)成箝位電壓源；三是從箝位電壓源的中點(diǎn)引入1只箝位二極管到相互串聯(lián)的2只開關(guān)管的中點(diǎn)，箝位二極管的放置與2只開關(guān)管與箝位電壓源聯(lián)接的地方有關(guān)。???為了確保2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開關(guān)單元共同組成。文獻(xiàn)[2]所分析的半橋式三電平DC/DC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DC/DC變換器拓?fù)?，包括Buck，Boost，BuckBoost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的

4、三電平DC/DC變換器，但是這6種非隔離的三電平DC/DC變換器的輸入與輸出是不共地的，這個(gè)缺點(diǎn)限制了它們的使用范圍?！?a)???三電平陽(yáng)極單元???(b)???三電平陰極單元圖1???兩種三電平開關(guān)單元???文獻(xiàn)[10]提出將隔直電容引入到輸入輸出不共地的非隔離三電平DC/DC變換器中，并對(duì)變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其輸入與輸出共地。改進(jìn)后的變換器保留了改進(jìn)前的變換器的所有優(yōu)點(diǎn)，即：開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲(chǔ)能元件的參數(shù)；續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2。圖2所示為6種輸入輸出共地的非隔離三電平DC/DC變換器。(a)Buck三電平DC/DC

5、變換器(b)Boost三電平DC/DC變換器(c)Buck-Boost三電平DC/DC變換器(d)Cuk三電平DC/DC變換器(e)Sepic三電平DC/DC變換器(f)Zeta三電平DC/DC變換器圖2???非隔離式三電平DC/DC變換器2.3???五種隔離三電平DC/DC變換器???同理，可以推導(dǎo)出Forward，F(xiàn)lyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的三電平DC/DC變換器[2]，如圖3所示。(a)???Forward三電平DC/DC變換器(b)Flyback三電平DC/DC變換器??(c)???Push-Pull三電平DC/DC變換器(d)???半橋

6、三電平DC/DC變換器(e)???全橋三電平DC/DC變換器圖3???隔離式三電平DC/DC變換器3???三電平DC/DC變換器中濾波元件參數(shù)的選擇???上述6種非隔離的三電平DC/DC變換器和全橋三電平DC/DC變換器均可以得到三電平輸出波形，從而大大減小了濾波元件的參數(shù)。文獻(xiàn)[3,4]詳細(xì)分析了一類零電壓零電流開關(guān)復(fù)合式全橋三電平DC/DC變換器，該變換器的輸出整流電壓高頻交流分量很小，可以減小輸出濾波器，改善變換器的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)其輸入電流脈動(dòng)很小，可以減小輸入濾波器。???下面以Buck三電平DC/DC變換器和傳統(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行比較。圖

7、4表明Buck三電平DC/DC變換器的電感電流最大脈動(dòng)量?jī)H為Buck變換器的1/4。如果兩者電感電流脈動(dòng)的最大值相同，那么Buck三電平DC/DC變換器的濾波電感量可減小為Buck變換器的濾波電感量的1/4。圖4???BuckTL變換器的電感量為Buck變換器電感的1/4???在設(shè)計(jì)一個(gè)電源時(shí)，其輸出紋波大小都有明確的限制，據(jù)此，可以計(jì)算出輸出濾波電容的大小。經(jīng)過分析，如果電感電流脈動(dòng)相同，Buck三電平DC/DC變換器的輸出濾波電容放電頻率較Buck變換器提高了1倍，因此其濾波電容是可以減小為Buck變換器濾波電容量的1/2