電源設計指南：拓撲結構（三）

SMPS拓撲及轉換原理

根據電路拓撲的不同，SMPS可以將直流輸入電壓轉換成不同的直流輸出電壓。實(shí)際應用中存在多種拓撲結構，比較常見(jiàn)有三種基本類(lèi)型，按照功能劃分為(參見(jiàn)圖2)：降壓(buck)、升壓(boost)、升/降壓(buck-boost或反轉)。下面還將討論圖2中所畫(huà)出的電感充電/放電通道。

三種拓撲都包括MOSFET開(kāi)關(guān)、二極管、輸出電容和電感。MOSFET是拓撲中的有源受控元件，與控制器(圖中沒(méi)給出)連接，控制器輸出脈寬調制(PWM)方波信號驅動(dòng)MOSFET柵極，控制器件的關(guān)斷或導通。為使輸出電壓保持穩定，控制器檢測SMPS輸出電壓，并改變方波信號的占空比(D)，即MOSFET在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期(TS)導通時(shí)間。D是方波導通時(shí)間和周期的比值(TON/TS)，直接影響SMPS的輸出電壓。兩者之間的關(guān)系在等式4和等式5給出。

MOSFET的導通和關(guān)斷狀態(tài)將SMPS電路分為兩個(gè)階段：充電階段和放電階段，分別表示電感中的能量傳遞狀態(tài)(參見(jiàn)圖2的環(huán)路)。充電期間電感所儲存的能量，在放電期間傳遞給輸出負載和電容上。電感充電期間，輸出電容為負載供電，維持輸出電壓穩定。根據拓撲結構不同，能量在電路元件中循環(huán)傳遞，使輸出電壓維持在適當的值。

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，電感是電源到負載能量傳輸的核心。如果沒(méi)有電感，MOSFET切換時(shí)，SMPS將無(wú)法正常工作。電感(L)中所儲存的能量(E)取決于電感電流值(I)：

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中(圖3)，電感兩端的電壓恒定，因此電感中的電流線(xiàn)性變化。根據基爾霍夫電壓環(huán)路定律，可以得到開(kāi)關(guān)過(guò)程中電感兩端電壓，注意極性以及VIN/VOUT的關(guān)系。例如，升壓轉換器的放電期間，電感兩端電壓為-(VOUT-VIN)。因為VOUT>VIN，所以電感兩端電壓為負。

充電期間，MOSFET導通，二極管反向偏置，能量從電源傳遞給電感(圖2)。由于電感兩端電壓(VL)為正，電感電流將逐漸上升。同時(shí)，輸出電容將前一個(gè)周期存儲的能量傳遞給負載，以保持輸出電壓的恒定。

圖3.穩態(tài)時(shí)電感的電壓、電流特性。

放電期間，MOSFET關(guān)斷，二極管正向偏置并導通。由于此時(shí)電源不再對電感充電，電感兩端電壓極性反轉，并且將能量釋放給負載，同時(shí)補充輸出電容的儲能(圖2)。放電時(shí)，電感電流逐漸下降，放電電流如上述關(guān)系式所示。

充電/放電周期循環(huán)，并保持一個(gè)穩定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在電路建立穩態(tài)的過(guò)程中，電感電流逐漸達到其穩定值，該電流是直流電流和電路在兩個(gè)階段切換時(shí)所產(chǎn)生的交流電流(或電感紋波電流)之和(圖3)。直流電流的大小與輸出電流成正比，也取決于電感在SMPS拓撲中的位置。紋波電流需要經(jīng)過(guò)SMPS濾波，以獲得真正的直流輸出。濾波由輸出電容完成，它對于交流信號呈現較低的阻抗。不需要的輸出紋波電流通過(guò)輸出電容旁路，并且當電流對地放電時(shí)保持電容電荷恒定。因此，輸出電容還起到穩定輸出電壓的作用。實(shí)際應用中，輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)產(chǎn)生的輸出電壓紋波與電容的紋波電流成正比。

由此可見(jiàn)，能量在電源、電感和輸出電容間傳遞，保持輸出電壓恒定，為負載供電。那么，通過(guò)SMPS間的能量傳遞如何確定輸出電壓和輸入/輸出電壓轉換比?如果能夠理解電路作用一個(gè)周期性波形的穩態(tài)過(guò)程，便可以很容易的計算出這些數值。穩態(tài)期間，有一個(gè)變量在重復周期TS的開(kāi)始階段與結束階段相等。對于電感而言，如上所述，其電流周期性的充電與放電，因此其電流在PWM周期的開(kāi)始階段應該與結束階段相等。這意味著(zhù)，電感電流在充電過(guò)程的變化量(ΔICHARGE)應等于在放電過(guò)程的變化量(ΔIDISCHARGE)。建立充電和放電期間電感電流變化的等式，可得到下面的表達式：

簡(jiǎn)而言之，在不同的工作周期，電感電壓和時(shí)間的乘積相等。因此，從圖2的SMPS電路中，我們可以很容易的得到穩態(tài)時(shí)的電壓和電流轉換比。對于降壓電路，根據充電電路的基爾霍夫電壓環(huán)路可得到電感兩端的電壓為(VIN-VOUT)。同理，放電過(guò)程中電路電感兩端的電壓為-VOUT。根據等式3，可得出電壓的轉換比為：

從這一系列等式可以看出，降壓轉換器的輸出相比VIN增大了D倍，而輸入電流則比負載電流大D倍。表1列舉了圖2中所示拓撲結構的轉換比。有些復雜的拓撲結構可能難以分析，但是利用這個(gè)方法解等式3和5可得到全部SMPS的轉換比。

四、三電平DC/DC變換器的拓撲結構及其滑?？刂品椒?/strong>

摘要：首先闡述了三電平DC/DC變換器拓撲的推導過(guò)程，給出了6種非隔離三電平DC/DC變換器和5種隔離三電平DC/DC變換器拓撲結構；分析了三電平DC/DC變換器中，如何設計濾波電路的參數以提高其動(dòng)態(tài)品質(zhì)；最后以Buck三電平變換器和Buck?Boost三電平變換器為例，分析了滑?？刂圃谌娖紻C/DC變換器中的應用前景。

1引言

J.RenesPinheiro于1992年提出了零電壓開(kāi)關(guān)三電平DC/DC變換器[1]，該變換器的開(kāi)關(guān)應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(cháng)足發(fā)展。目前，三電平技術(shù)在已有的DC/DC變換器中，均得到了很好的應用。部分三電平DC/DC變換器在降低開(kāi)關(guān)應力的同時(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)的應用，充分體現了“采用有源控制的方式減小無(wú)源元件體積”的學(xué)術(shù)思想。

2三電平DC/DC變換器拓撲的推導與發(fā)展

2.1三電平兩種開(kāi)關(guān)單元

文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過(guò)程：用2只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)代替1只開(kāi)關(guān)管以降低電壓應力，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(kāi)關(guān)管電壓應力均衡。電路中開(kāi)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(kāi)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(chēng)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(chēng)之為陰極單元。

2.2六種非隔離三電平DC/DC變換器

三電平DC/DC變換器的推導過(guò)程可以總結為以下三個(gè)步驟：一是將基本變換器的開(kāi)關(guān)管替換為相互串聯(lián)的2只開(kāi)關(guān)管；二是尋找或構成箝位電壓源；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(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)，箝位二極管的放置與2只開(kāi)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(kāi)關(guān)管的電壓應力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開(kāi)關(guān)單元共同組成。文獻[2]所分析的半橋式三電平DC/DC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DC/DC變換器拓撲，包括Buck，Boost，Buck?Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的三電平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(kāi)關(guān)單元

文獻[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，并對變換器結構進(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(kāi)關(guān)管的電壓應力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲能元件的參數；續流二極管的電壓應力為輸入電壓的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