采用分立元件實(shí)現的PWM Buck三電平變換器

1 引言

　　J. Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開(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一半，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)源器件體積”的學(xué)術(shù)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(jìn)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(shí)現PWM Buck三電平變換器的控制。該方法控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，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(kāi)關(guān)單元

　　文獻[3]分析了三電平DC-DC變換器的推導過(guò)程：用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)代替一只開(kāi)關(guān)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(gè)相等的電壓源)確保兩只開(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。文中提取出兩個(gè)三電平開(kāi)關(guān)單元如下圖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。

(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

2.2 Buck 三電平變換器

　　為了確保兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應力相等，三電平變換器一般由上述兩種開(kāi)關(guān)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(gè)工作模態(tài)(開(kāi)關(guān)管的占空比大于0.5)。
　　模態(tài)1：如圖2(a)所示。在t=0時(shí)刻，觸發(fā)開(kāi)關(guān)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(shí)刻，關(guān)斷，仍然繼續導通，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(shí)刻，控制回路使,導通，出現與模態(tài)1相同的工作過(guò)程。
　　模態(tài)4：如圖2(d)所示。當時(shí)刻，關(guān)斷，使繼續導通，則導通，截止，與模態(tài)2的工作過(guò)程類(lèi)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

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