非隔離三電平變換器中分壓電容均壓的一種方法

阮新波，危健，薛雅麗

（南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

??? 摘? 要：在非隔離三電平變換器中，分壓電容必須是均壓的，以保證開關(guān)管電壓應(yīng)力相等。在實(shí)際應(yīng)用中，由于控制電路和/或驅(qū)動(dòng)電路有差異，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不完全相等，使得分壓電容不均壓，這樣開關(guān)管電壓應(yīng)力不相等。為了解決這個(gè)問題，該文提出一種均壓方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，確保分壓電容均壓，論文最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證本方法的有效性。
??? 關(guān)鍵詞：三電平變換器；脈寬調(diào)制；交錯(cuò)控制

1? 引言
??? 文[1]~[6]所討論的三電平（Three-level，TL）變換器的最大優(yōu)點(diǎn)是它的開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，因此非常適用于高輸入電壓中大功率應(yīng)用場(chǎng)合。該TL變換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)半橋變換器，因此應(yīng)更準(zhǔn)確地定義為半橋TL變換器。文[7]分析了半橋TL變換器的推導(dǎo)思路，并將該推導(dǎo)思路推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族TL變換器電路拓?fù)洌˙uck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的TL變換器，以及Forward，F(xiàn)lyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的TL變換器，這些變換器中開關(guān)管的電壓應(yīng)力為其原型電路的一半，其中6種非隔離的TL變換器和全橋TL變換器還可以得到三電平波形，從而大大減小濾波元件的大小。
?? 在6種非隔離的TL變換器中，為了得到三電平波形，2只開關(guān)管為交錯(cuò)控制，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°相角。為了確保TL變換器正常工作，其分壓電容必須均壓。在實(shí)際應(yīng)用中，由于控制電路和/或驅(qū)動(dòng)電路總有微小差異，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不可能完全相等，這樣使得分壓電容不均壓，因此開關(guān)管電壓應(yīng)力也不相等，三電平波形也不對(duì)稱。為了解決這個(gè)問題，本文提出一種方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，確保分壓電容均壓，論文最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證本方法的有效性。
2? 分壓電容不均壓的原因
2.1? Buck變換器的工作原理
??? 圖1給出了6種非隔離的TL變換器，下面以Buck TL變換器為例分析分壓電容不均壓的原因。
??? 圖2給出了Buck TL變換器的主要波形。Q₁和Q₂為交錯(cuò)控制，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180o相角。
??? 當(dāng)開關(guān)管的占空比D>0.5時(shí)，在1個(gè)開關(guān)周期，一段時(shí)間內(nèi)2只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，輸入電壓為負(fù)載提供能量，濾波器上的電壓v_AB=V_in；一段時(shí)間內(nèi)只有Q₁或Q₂導(dǎo)通，此時(shí)分壓電容C_d1或C_d2向負(fù)載提供能量，v_AB= V_in/2。當(dāng)開關(guān)管的占空比D<0.5時(shí)，在1個(gè)開關(guān)周期，一段時(shí)間內(nèi)只有Q₁或Q₂導(dǎo)通，此時(shí)分壓電容C_d1或C_d2向負(fù)載提供能量，v_AB=V_in/2；一段時(shí)間內(nèi)2只開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，濾波電感電流通過D₁或D₂續(xù)流，v_AB=0。無論占空比大于或小于0.5，當(dāng)濾波電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為V_o /V_in=D

2.2? 分壓電容不均壓的原因
??? 在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)只有1只開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，2只分壓電容輪流為負(fù)載提供能量。如果2只開關(guān)管的占空比完全相等，且開關(guān)管的特性完全相同，那么2只分壓電容在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)提供的能量完全相等，其電壓是均衡的，均為輸入電壓V_in的一半，即V_Cd1 =V_Cd2=V_in/2。此時(shí)2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為V_in/2，當(dāng)只有1只開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，加在濾波器兩端的電壓v_AB=V_in/2。
??? 采用交錯(cuò)控制的控制電路框圖及其主要波形如圖3所示。時(shí)鐘信號(hào)C₁和C₂相差180o，它們分別對(duì)應(yīng)的鋸齒波V_RAMP1和V_RAMP2也相差180o，電壓誤差放大器的輸出信號(hào)V_{EA_Vo}分別與V_RAMP1和V_RAMP2相比較，再通過2個(gè)RS觸發(fā)器得到相差180o的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q₁和Q₂。
??? 在實(shí)際電路中，2個(gè)鋸齒波不可能做到完全匹配，同時(shí)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路以及開關(guān)管的開關(guān)特性也不可能完全相同，因此2只開關(guān)管的占空比必然存在一定的差異，這樣2只分壓電容在1個(gè)周期內(nèi)所提供的能量不可能相等，其電壓將1個(gè)高于V_in/2，另1個(gè)低于V_in /2。在圖4中，假如Q₁的導(dǎo)通時(shí)間比Q₂多Dt，此時(shí)在1個(gè)周期內(nèi)C_d1比C_d2提供的能量多，C_d1的電壓低于V_in /2，而C_d2的電壓高于V_in/2。相應(yīng)地，Q₁的電壓應(yīng)力低于V_in/2，而Q₂的電壓應(yīng)力高于V_in/2。當(dāng)只有Q₁導(dǎo)通時(shí)，v_AB低于V_in/2，而當(dāng)只有Q₂導(dǎo)通時(shí)，v_AB高于V_in/2，因此v_AB是不對(duì)稱的。顯然此時(shí)Buck TL變換器不能正常工作。

3? 分壓電容均壓的方法
3.1? Buck TL變換器
?? 為了使Buck TL變換器正常工作，必須確保分壓電容均壓，因此需要對(duì)開關(guān)管的占空比進(jìn)行修正。圖5給出了帶有分壓電容均壓電路的交錯(cuò)控制電路框圖及其主要波形。在圖5(b)中，2個(gè)鋸齒波的電壓幅值不相等，V_RAMP1的電壓幅值大于V_RAMP2的電壓幅值，如果沒有分壓電容均壓電路，Q₁的占空比比Q₂的占空比小，這樣C_d1的電壓比C_d2的電壓高。

??? 為了確保分壓電容均壓，只要保證其中1只分壓電容電壓為V_in/2就可以了，由于C_d2與輸入電源共地，因此可選擇C_d2作為控制對(duì)象，使其電壓為V_in/2。將C_d2的電壓和輸入電壓V_in進(jìn)行采樣后進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)誤差放大器后得到V_{EA_Cd}。注意C_d2的電壓和V_in的反饋系數(shù)分別為K_{f_in}和K_{f_in}/2。V_{EA_Cd}作為修正信號(hào)與輸出電壓誤差放大器的輸出信號(hào)V_{EA_Vo}進(jìn)行相加后作為誤差信號(hào)V_EA1。對(duì)V_{EA_Cd}進(jìn)行反向后作為修正信號(hào)與輸出電壓誤差放大器的輸出信號(hào)V_{EA_Vo}進(jìn)行相加后作為誤差信號(hào)V_EA2。
??? 在圖5(b)中，由于C_d2的電壓低于V_in/2，那么V_{EA_Cd}為正，它使V_EA1升高，使Q₁的占空比增大。與此同時(shí)-V_EA1為負(fù)，它使V_EA2降低，使Q₂的占空比減小。通過對(duì)占空比的一加一減，使C_d2的電壓升高，C_d1的電壓降低，這樣就使2個(gè)分壓電容電壓均為V_in/2，從而達(dá)到均壓的目的。相反地，如果C_d2的電壓高于V_in/2，那么V_{EA_Cd}為負(fù)，它使V_EA1降低，使Q₁的占空比減小。與此同時(shí)，-V_EA1為正，它使V_EA2升高，使Q₂的占空比增大。通過對(duì)占空比的一加一減，使C_d2的電壓降低，C_d1的電壓升高，這樣就使2個(gè)分壓電容電壓均為V_in/2。

??? 實(shí)際上，也可以只對(duì)Q₁的占空比進(jìn)行修正，同樣可以達(dá)到分壓電容均壓的目的，但這種方法不如前一種方法效果好。
3.2? 其他非隔離TL變換器
??? 該均壓方法可以應(yīng)用到其它5種非隔離TL變換器中，只不過是所控制的對(duì)象略有不同。表1給出了各非隔離TL變換器中均壓電路的2個(gè)反饋信號(hào)。
??? 對(duì)于Boost TL變換器，需要保證2個(gè)輸出濾波電容均壓，其均壓電路的反饋信號(hào)分別為V_o和V_cd2。Cuk TL變換器需要保證2個(gè)中間儲(chǔ)能電容C_b1和C_b2均壓，其均壓電路的反饋信號(hào)分別為V_in+V_o和V_cb2。Buck-Boost TL變換器有2個(gè)輸入濾波電容和2個(gè)輸出濾波電容，Sepic TL變換器有2個(gè)輸出濾波電容和2個(gè)中間儲(chǔ)能電容，Zeta TL變換器有2個(gè)輸入濾波電容和2個(gè)中間儲(chǔ)能電容，對(duì)于這3種變換器，只要保證其中一對(duì)分壓電容均壓，就可以保證另一對(duì)分壓電容均壓。考慮到電壓反饋的方便性，Buck-Boost TL變換器均壓電路的反饋信號(hào)分別為V_cf1和V_o；Sepic TL變換器均壓電路的反饋信號(hào)分別為V_o和V_cf2；Zeta TL變換器均壓電路的反饋信號(hào)分別為V_in和V_cd2。

4 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
??? 為了驗(yàn)證均壓電路的可行性，我們選擇Buck TL變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。變換器的輸入電壓為220~300V直流電壓，輸出電壓為200V直流電壓，額定輸出電流為10A，開關(guān)頻率為50kHz。
??? 圖6給出了Buck TL變換器采用均壓電路前后的實(shí)驗(yàn)波形。在采用均壓電路之前，輸入分壓電容不均壓，2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力不相等，v_AB在本應(yīng)為V_in/2時(shí)，相鄰的2個(gè)電壓不相等，一個(gè)高于V_in/2，另一個(gè)低于V_in/2，如圖6(a)所示。采用均壓電路后，2只分壓電容電壓相等，2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為V_in/2，并且v_AB真正在V_in和V_in/2之間變化，如圖6(b)所示。
??? 圖7和圖8給出了Buck TL變換器在輸入電壓和負(fù)載突變時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。在額定輸出時(shí)，當(dāng)輸入電壓從220V突升到300V再突降到220V時(shí)，分壓電容C_d2的電壓基本上為輸入電壓的一半，如圖7所示。在輸入電壓為額定電壓250V時(shí)，當(dāng)負(fù)載從100%負(fù)載突變到10%負(fù)載再突變到100%負(fù)載時(shí)，分壓電容C_d2的電壓基本上為輸入電壓的一半，如圖8所示。這里要說明的是，在負(fù)載突變時(shí)，輸入電壓有一定的變化，這是因?yàn)槲覀兯捎玫碾娫床皇强?a target="_blank">編程電源，在不同負(fù)載時(shí)，電壓有少許變化。圖7和圖8說明均壓電路在輸入電壓和負(fù)載突變過程中依然能保證2只分壓電容均壓。

5? 結(jié)論
??? 為了保證非隔離三電平變換器正常工作中，其分壓電容必須均壓。由于實(shí)際的控制電路和/或驅(qū)動(dòng)電路總有一定差異，2只開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不完全相等，分壓電容不能完全均壓，這樣使得開關(guān)管電壓應(yīng)力不相等。本文提出一種均壓方法，它通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，確保分壓電容均壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

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