Buck三电平变换器_薛雅丽

1 引言
1992 年 Pinheiro 提出了 零电压开 关三电平 直 流变 换器 ( Zero-VoltageSw itching T hree-Level dc[ 1 ] dc Converter , Z VS T L 变换器) , 该变换器最大
推导其输入输出关系 , 讨论其输出滤波器的计算 , 提出一种脉宽修正方法 , 确保两只分压电容电压均 衡 , 并进行实验验证 。
2. 1 D > 0. 5 当开关管的占空比大于 0. 5 时 , 其主要波形如 图 3 所示 。 在一个开关周期内 , 变换器有 4 个开关 模态 。
第 18 卷第 3 期
薛雅丽 等 Buck 三电平变换器
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( V in - V o)( 2D -1)·T s = 2L
f
( 4) ( 5)
VQ 1 、 VQ 2 两端电压均为 V in /2 。 Vo i Lf ( t) =I L f ( t 1) ( t -t 1) Lf ( 9)
1 Io =2 ( I Lf max -H +I Lf min -H) 式中 T s — — — 开关周期 , T s =1/ f s fs— — — 开关频率 Ton — — — 开关管的导通时间 T off — — — 开关管的截止时间 D— — — 占空比 , D =T on/ T s ΔI L f -H — — —D > 0. 5 的电感电流脉动值 I L f min -H — — — 电感电流最小值 I L f m ax -H — — — 电感电流最大值 由式 ( 4) 和式 ( 5) 可知
2. 1. 2 开关模态 2 [ t 1 , t 2] ( 图 2b) t 1 时 刻关 断 VQ 2 , VD2 导 通 。 v AB = V in/ 2 , VQ 2 和 VD1 上电压为 V in/ 2 。 L f 电流线性下降 。 i Lf =I L f ( t 1) + V in/ 2 -V o ( t -t 1) Lf ( 2)
2 工作原理
图 1 给出了 Buck T L 变换器的电路 拓扑 , 其 中 C d1 和 Cd2 为两个分压电容 , 其容量很大且相等 , 电压均为输入电压 V in 的一半 。 VQ 1 、 VQ 2 是两只 开关管 , VD1 和 VD2 是续流二极管 , L f 是滤波电 感 , Cf 是滤波电容 , R Ld 是负载 。 VQ 1 和 VQ 2 交 错工作 , 其驱动信号相差 180° 相角 , 图 2 给出了不 同开关模态的等效电路 。 当开关管的占空比大于 0. 5 和小于 0. 5时, 变 换器工作模式有所不同 , 下面分别加以分析 。 在分 析之前 , 做如下假设 :① 所有开关管 、 二极管 、 电
感 、 电容均为理想器件 ;②C d1 =C d2 且足够大 , 均 分输入电压 , 可以看成 两个电压 为 V in/ 2 的电 压 源 ;③ 输出电容足够大 , 等效为电压源 V o 。
图 1 Buck T L 变换器 Fig. 1 Buck three -level converter 图 3 D >0. 5 时的主要波形 Fig. 3 T he key wavefo rm o f D >0. 5
第 18 卷第 3 期
电工技术学报
2003 年 6 月
Buck 三电平变换器
Buck Three-Level Converter 薛雅丽 李 斌 阮新波 ( 南京航空航天大学 210016)
Xue Yal i Li Bin Ruan Xinbo ( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 210016 China) 摘要 提出一种 Buck 三电平变换器 , 该变换器中开关管的电压应力为输入电压的一半 , 采 用交错控制方式 , 可以大大减小输出滤波器的大小 , 详细分析 Buck 三电平变换器的工作原理 , 分析该变换器的输入输出特性 , 讨论主要参数的设计 , 提出一种使输入分压电容电压均衡的方 法 , 并进行实验验证 。 关键词 : 三电平变换器 脉宽调制 交错控制 中图分类号 :TM 46 Abstract T his paper proposes a Buck T hree-Level ( T L) converter , the voltage stress of the sw itches is t he half of t he input volt age .Em ploying interleaving control , the out put filter can be signif icantly reduced .T he operation principle of the Buck T L converter is analyzed in details .T he characteristics of outputinput of the Buck T L converter are derived and the filter parameter design is discussed .A st rateg y to balance the voltage of the input divided capacitors is proposed .T he experimental results verify the operation of t he Buck T L converter . Keywords Three-level converter , pulsew idt h-modulatio n , interleaving technique
的优点是它的开关管电压应力为输入直流电压的一 半 , 因此非常 适用于高输入电 压中大功率应 用场 合 。 该 T L 变换器实质上是一个半桥变换器 , 因此 应更准确地定义为半桥 T L 变换器 。 文献 [ 2] 从另 一个角度提出了半桥 T L 变换器的推导思路 , 并将 该推导思路推广到所有的直流变换器中 , 由此提出 了一族 T L 变换器 电路拓扑 , 包括 Buck T L 变 换 器 。 这些变换器与半桥 T L 变换器一样 , 其开关管 电压应力为输入直流电压的一半 。 本文详 细分析 Buck T L 变 换器 的工 作原理 ,
t 2 时刻开通 VQ 2 , 电路进入开关模态 3 。 开关模态 3 与开关模态 1 相类似 , 如图 2c 所示 。 t 3 时刻关 断 VQ 2 , 电路进入开关模态 4 , 同开关模态 2 工作 情况相同 , 如图 2a 所示 , 此处不再赘述 。 由图 4 可知 Vo = 1 Ts v ∫
4
t
t0
AB d t
V in 1 · [( t 1 - t 0)+( t 3 - t 2) ] 2 Ts =D · V in = ΔI L f -L =I Lf max -L -I Lf min -L V in/ 2 - V o ·T on Lf ( V in -2 V o) D · T s = 2L f 1 Io= ( I L f max -L +I L f min -L) 2 = I L f min -L — — — 电感电流最小值 I L f m ax -L — — — 电感电流最大值 由式 ( 11) 和式 ( 12) 可知 ( V in -2 V o) D · T s I Lf min -L =I o 4L
图 4 D <0. 5 的主要波形 F ig. 4 The key w av eform of D <0. 5
D
称为变换器的外特性 。
由式 ( 3) 和式 ( 10) 知道 , 当电感电流连续 时 V o =V in·D 3. 2 电感电流断续 如果滤波电感较小或负载较轻 , 滤波电感电流 将会断续 。 由图 2 和图 4 可知 , 当负载电流减小到 使 I L f min =0 时 , ΔI L f = I L f max , 此时 的负载 电流 I o m in 即为电感临界连续电流 I G , 此时变换器的外 特性仍满足关系式 ( 15) 。 ( 15)
f
( 10)
( V in -V o)( 2 D -1)·T s ( 6) I L f min -H =I o 4L f ( V in - V o)( 2D 1)· T s I L f max -H =I o + ( 7) 4 Lf 2. 2 D < 0. 5 当开关管的占空比小于 0. 5 时 , 变换器的主要 波形如图 4 所示 。 一个开关周期内包括 4 个开关模 态。
( 11) ( 12)
式中 ΔI Lf -L — — — D <0. 5 时的电感电流脉动值
( 13) ( 14)
( V in 2 V o) D ·T s I L f man -L =I o + 4 Lf
3 Buck TL 变换器的外特性
在恒定占空比下 , 变换器输出电压与输出电流 的关系 V o =f ( I o) 3. 1 电感电流连续
国家自然科学基金资助项目 ( 50177013) , 台达电力电子科教发展基金资助项目 。 薛雅丽 女 , 1974 年生 , 硕士研究生 , 研究方向为 Buck 多电平变换器 。 李 斌 男 , 1975 年生 , 硕士 , 研究方向为大功率高频软开关直-直变换器 。
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电工技术学报
2003 年 6 月
t 2 时刻开通 VQ 1 , 电路进入开关模态 3 。 开关模态 3 与开关模态 1 相同 , 如图 2a 所示 。 t 3 时刻关断 VQ 1 , 进入开关模态 4 , 如图 2c 所示 。 电路工作情 况同开关模态 2 类似 , 此处不再赘述 。 由图 3 可知 1 Vo = T s v ∫
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2. 2. 1 开关模态 1 [ t 0 , t 1 ] ( 图 2b) VQ 1 导通 , VD2 导通 , v AB = V in/ 2 , VQ 2 和 VD1 上的电压为 V in/ 2 。 iLf ( t) =I L f ( t 0) + V in /2 -V o ( t -t 0 ) ( 8) Lf