近年來(lái)，隨著(zhù)光伏逆變器以及儲能行業(yè)的熱度持續高漲，人們對高效太陽(yáng)能逆變器、PCS等功率變換的需求越來(lái)越大，但低成本、高效率的解決方案是所有廠(chǎng)家永恒的追求。為了實(shí)現這一目標，不僅逆變器，連DCDC級的拓撲（例如MPPT電路）都必須是低成本和高效的。在傳統的DCDC變換電路中，隔離拓撲大家通常選用LLC、移相全橋等實(shí)現開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)降低損耗，提升效率，而非隔離直流變換拓撲大部分都采用傳統的兩電平Buck或Boost拓撲，或者采用多相交錯減小電流紋波，或者采用DCM模式實(shí)現部分開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)提升效率，但是效果終究是有瓶頸的。

最近幾年，越來(lái)越多的光伏產(chǎn)品開(kāi)始選擇使用三電平直流變換拓撲，三電平拓撲是什么？相比于兩電平來(lái)說(shuō)到底有哪些優(yōu)勢？在查閱眾多資料后，小編嘗試分期給大家進(jìn)行介紹。

兩電平和三電平的升壓變換器通常用于光伏逆變器。相比于兩電平的方案，三電平拓撲的解決方案能夠降低半導體器件的電壓應力和輸出電壓紋波，因此可以減小電感器的尺寸。由于三電平拓撲在運行時(shí)，開(kāi)關(guān)電壓電平是直流母線(xiàn)電壓的一半，因此可以使用開(kāi)關(guān)速度更快、成本更低的低壓半導體。

1.什么是三電平拓撲？

想要明白三電平拓撲，那還得從大家熟知的兩電平拓撲說(shuō)起，在之前的文章中【Monster學(xué)電子】開(kāi)關(guān)電源必會(huì )拓撲-Boost，我們曾經(jīng)介紹過(guò)兩電平Boost拓撲的基本工作原理和關(guān)鍵器件參數的分析。在工作過(guò)程中，不論是Boost電路的下管還是上管，在開(kāi)關(guān)管閉合時(shí)，電壓應力都接近于0V，在斷開(kāi)時(shí)，電壓應力都接近于輸出電壓Vout，開(kāi)關(guān)管源極和漏極的電壓只有兩種電壓模式，即0V和Vout，這就是為什么把傳統的DCDC拓撲稱(chēng)為兩電平的原因。

常見(jiàn)的三電平的拓撲有三種，分別是二極管鉗位型、飛跨電容型、對稱(chēng)式三電平拓撲。本篇文章以飛跨電容型三電平拓撲（如圖1）為例進(jìn)行分析。所謂飛跨電容，即指跨接在D1、D2中點(diǎn)和T1、T2中點(diǎn)之間的電容CFC。飛跨電容升壓拓撲結構通過(guò)飛跨電容（CFC）產(chǎn)生第三電壓電平，充電至輸出電壓的一半。

圖1 飛跨電容型三電平拓撲

三電平拓撲結構包括附加的第三電壓電平。第三電壓電平將升壓電感、開(kāi)關(guān)管和二極管兩端的電壓降低到兩電平拓撲的一半。升壓電感兩端的較小電壓具有的優(yōu)點(diǎn)是，對于同樣要求的紋波電流，所需的電感僅為兩電平時(shí)所需電感的一半。因此減少了整個(gè)電感的體積、重量和成本。

2. 飛跨電容升壓拓撲詳細分析

在飛跨電容升壓變換器中，換向回路包括電容器。從換向的角度來(lái)看，電容器可以被認為是零阻抗。它在換向回路中的主要作用是使兩個(gè)外部半導體相互抵消。有了這個(gè)偏移，三電平飛跨電容升壓變換器可以被視為兩個(gè)獨立的升壓變換器，其中外部的換向回路包括直流母線(xiàn)電容、外部二極管、飛跨電容器和外部開(kāi)關(guān)。內部換向回路包括飛跨電容器、內部二極管和內部開(kāi)關(guān)。兩個(gè)換向回路如圖2所示。

圖2 換向回路

一般來(lái)說(shuō)，電壓電平的數量理論上是無(wú)限的，但在實(shí)際中使用了三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)電平。n電平解決方案中的附加電平可以通過(guò)在三電平轉換器中添加額外的外部換相環(huán)路來(lái)實(shí)現。每個(gè)增加的升壓變換器的換向回路將類(lèi)似于圖2上的綠色回路。電壓電平的數量可以計算如下：

a 是換向回路的個(gè)數，飛跨電容的電壓可以用下式計算：

b 是給定的換向單元的數量，第一個(gè)回路通常指最外層的回路。

在三電平飛跨電容升壓變換器的工作中，有四種不同的模式。在正常運行過(guò)程中，飛跨電容的電壓是輸出電壓的一半，并且電感電流是連續的。

在第一種模式中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管（T1、T2）都斷開(kāi)，電流通過(guò)兩個(gè)二極管，工作于續流模式。在這種模式下，飛跨電容的電壓不變，電感電流減小，輸出電壓增大。

在第二種模式中，外側開(kāi)關(guān)管（T2）導通，電流對飛跨電容充電，其電壓升高。

在第三種模式中，內側開(kāi)關(guān)管（T1）導通（T2）斷開(kāi)，電流通過(guò)飛跨電容向母線(xiàn)放電，飛跨電壓降低，輸出電壓增加。

在第四種模式中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都導通。飛跨電容的電壓將保持不變，電感電流增加。

在連續導通模式（CCM）下，占空比（D）的計算方法和普通的兩電平Boost拓撲一直?？杀硎緸椋?/span>

飛跨電容拓撲中的兩個(gè)半導體開(kāi)關(guān)管T1和T2在相位相差180°下進(jìn)行控制，但導通時(shí)間（占空比）相同。在D＜0.5時(shí)，T1 和 T2 永遠不會(huì )同時(shí)導通，即不會(huì )工作在模式4。當占空比D＞0.5時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1和T2不存在同時(shí)關(guān)斷的工作模式1，所以工作的模式取決于占空比的大小。

如果 < 0.5，在這種情況下，不存在模式4，運行如下：

…→模式1→模式2→模式1→模式3→…

如果 > 0.5，運行將是：

…→模式4→模式2→模式4→模式3→…

如果 = 0.5：

…→模式2→模式3→模式2→模式3→…

最常用的模式是當＜0.5

時(shí)間緊張，梳理不易，后續有機會(huì )將給大家繼續深入介紹三電平拓撲的相關(guān)知識。