非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法

非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法

阮新波，危健，薛雅丽

（南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏 南京 210016）

    摘  要：在非隔离三电平变换器中，分压电容必须是均压的，以保证开关管电压应力相等。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路有差异，开关管的导通时间不完全相等，使得分压电容不均压，这样开关管电压应力不相等。为了解决这个问题，该文提出一种均压方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。
    关键词：三电平变换器；脉宽调制；交错控制

1  引言
    文[1]~[6]所讨论的三电平（Three-level，TL）变换器的最大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TL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TL变换器。文[7]分析了半桥TL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TL变换器电路拓扑，包括Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6种非隔离的TL变换器，以及Forward，Flyback，Push-Pull，半桥和全桥等隔离的TL变换器，这些变换器中开关管的电压应力为其原型电路的一半，其中6种非隔离的TL变换器和全桥TL变换器还可以得到三电平波形，从而大大减小滤波元件的大小。
   在6种非隔离的TL变换器中，为了得到三电平波形，2只开关管为交错控制，其驱动信号相差180°相角。为了确保TL变换器正常工作，其分压电容必须均压。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路总有微小差异，开关管的导通时间不可能完全相等，这样使得分压电容不均压，因此开关管电压应力也不相等，三电平波形也不对称。为了解决这个问题，本文提出一种方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。
2  分压电容不均压的原因
2.1  Buck变换器的工作原理
    图1给出了6种非隔离的TL变换器，下面以Buck TL变换器为例分析分压电容不均压的原因。
    图2给出了Buck TL变换器的主要波形。Q1和Q2为交错控制，其驱动信号相差180º相角。
    当开关管的占空比D>0.5时，在1个开关周期，一段时间内2只开关管同时导通，输入电压为负载提供能量，滤波器上的电压vAB=Vin；一段时间内只有Q1或Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB= Vin/2。当开关管的占空比D<0.5时，在1个开关周期，一段时间内只有Q1或Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB=Vin/2；一段时间内2只开关管同时关断，滤波电感电流通过D1或D2续流，vAB=0。无论占空比大于或小于0.5，当滤波电感电流连续时，输出电压与输入电压的关系为Vo /Vin=D

2.2  分压电容不均压的原因
    在1个开关周期内，当只有1只开关管导通时，2只分压电容轮流为负载提供能量。如果2只开关管的占空比完全相等，且开关管的特性完全相同，那么2只分压电容在1个开关周期内提供的能量完全相等，其电压是均衡的，均为输入电压Vin的一半，即VCd1 =VCd2=Vin/2。此时2只开关管的电压应力均为Vin/2，当只有1只开关管导通时，加在滤波器两端的电压vAB=Vin/2。
    采用交错控制的控制电路框图及其主要波形如图3所示。时钟信号C1和C2相差180º，它们分别对应的锯齿波VRAMP1和VRAMP2也相差180º，电压误差放大器的输出信号VEA_Vo分别与VRAMP1和VRAMP2相比较，再通过2个RS触发器得到相差180º的驱动信号Q1和Q2。
    在实际电路中，2个锯齿波不可能做到完全匹配，同时开关管的驱动电路以及开关管的开关特性也不可能完全相同，因此2只开关管的占空比必然存在一定的差异，这样2只分压电容在1个周期内所提供的能量不可能相等，其电压将1个高于Vin/2，另1个低于Vin /2。在图4中，假如Q1的导通时间比Q2多Dt，此时在1个周期内Cd1比Cd2提供的能量多，Cd1的电压低于Vin /2，而Cd2的电压高于Vin/2。相应地，Q1的电压应力低于Vin/2，而Q2的电压应力高于Vin/2。当只有Q1导通时，vAB低于Vin/2，而当只有Q2导通时，vAB高于Vin/2，因此vAB是不对称的。显然此时Buck TL变换器不能正常工作。

3  分压电容均压的方法
3.1  Buck TL变换器
   为了使Buck TL变换器正常工作，必须确保分压电容均压，因此需要对开关管的占空比进行修正。图5给出了带有分压电容均压电路的交错控制电路框图及其主要波形。在图5(b)中，2个锯齿波的电压幅值不相等，VRAMP1的电压幅值大于VRAMP2的电压幅值，如果没有分压电容均压电路，Q1的占空比比Q2的占空比小，这样Cd1的电压比Cd2的电压高。

    为了确保分压电容均压，只要保证其中1只分压电容电压为Vin/2就可以了，由于Cd2与输入电源共地，因此可选择Cd2作为控制对象，使其电压为Vin/2。将Cd2的电压和输入电压Vin进行采样后进行比较，其误差经误差放大器后得到VEA_Cd。注意Cd2的电压和Vin的反馈系数分别为Kf_in和Kf_in/2。VEA_Cd作为修正信号与输出电压误差放大器的输出信号VEA_Vo进行相加后作为误差信号VEA1。对VEA_Cd进行反向后作为修正信号与输出电压误差放大器的输出信号VEA_Vo进行相加后作为误差信号VEA2。
    在图5(b)中，由于Cd2的电压低于Vin/2，那么VEA_Cd为正，它使VEA1升高，使Q1的占空比增大。与此同时-VEA1为负，它使VEA2降低，使Q2的占空比减小。通过对占空比的一加一减，使Cd2的电压升高，Cd1的电压降低，这样就使2个分压电容电压均为Vin/2，从而达到均压的目的。相反地，如果Cd2的电压高于Vin/2，那么VEA_Cd为负，它使VEA1降低，使Q1的占空比减小。与此同时，-VEA1为正，它使VEA2升高，使Q2的占空比增大。通过对占空比的一加一减，使Cd2的电压降低，Cd1的电压升高，这样就使2个分压电容电压均为Vin/2。

    实际上，也可以只对Q1的占空比进行修正，同样可以达到分压电容均压的目的，但这种方法不如前一种方法效果好。
3.2  其他非隔离TL变换器
    该均压方法可以应用到其它5种非隔离TL变换器中，只不过是所控制的对象略有不同。表1给出了各非隔离TL变换器中均压电路的2个反馈信号。
    对于Boost TL变换器，需要保证2个输出滤波电容均压，其均压电路的反馈信号分别为Vo和Vcd2。Cuk TL变换器需要保证2个中间储能电容Cb1和Cb2均压，其均压电路的反馈信号分别为Vin+Vo和Vcb2。Buck-Boost TL变换器有2个输入滤波电容和2个输出滤波电容，Sepic TL变换器有2个输出滤波电容和2个中间储能电容，Zeta TL变换器有2个输入滤波电容和2个中间储能电容，对于这3种变换器，只要保证其中一对分压电容均压，就可以保证另一对分压电容均压。考虑到电压反馈的方便性，Buck-Boost TL变换器均压电路的反馈信号分别为Vcf1和Vo；Sepic TL变换器均压电路的反馈信号分别为Vo和Vcf2；Zeta TL变换器均压电路的反馈信号分别为Vin和Vcd2。

4  实验验证
    为了验证均压电路的可行性，我们选择Buck TL变换器进行了实验验证。变换器的输入电压为220~300V直流电压，输出电压为200V直流电压，额定输出电流为10A，开关频率为50kHz。
    图6给出了Buck TL变换器采用均压电路前后的实验波形。在采用均压电路之前，输入分压电容不均压，2只开关管的电压应力不相等，vAB在本应为Vin/2时，相邻的2个电压不相等，一个高于Vin/2，另一个低于Vin/2，如图6(a)所示。采用均压电路后，2只分压电容电压相等，2只开关管的电压应力均为Vin/2，并且vAB真正在Vin和Vin/2之间变化，如图6(b)所示。
    图7和图8给出了Buck TL变换器在输入电压和负载突变时的实验波形。在额定输出时，当输入电压从220V突升到300V再突降到220V时，分压电容Cd2的电压基本上为输入电压的一半，如图7所示。在输入电压为额定电压250V时，当负载从100%负载突变到10%负载再突变到100%负载时，分压电容Cd2的电压基本上为输入电压的一半，如图8所示。这里要说明的是，在负载突变时，输入电压有一定的变化，这是因为我们所采用的电源不是可编程电源，在不同负载时，电压有少许变化。图7和图8说明均压电路在输入电压和负载突变过程中依然能保证2只分压电容均压。

5  结论
    为了保证非隔离三电平变换器正常工作中，其分压电容必须均压。由于实际的控制电路和/或驱动电路总有一定差异，2只开关管的导通时间不完全相等，分压电容不能完全均压，这样使得开关管电压应力不相等。本文提出一种均压方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，实验结果验证了本方法的有效性。

参考文献

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[6]      李斌，阮新波（Li Bin，Ruan Xinbo）．倍流整流方式ZVS PWM三电平变换器（Current-Doubler-RecTIeier ZVS PWM three-level converlers）[J]．中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2002，22(9)：79-83．
[7]      Ruan Xinbo，Li Bin，Chen Qianhong．Three-level converters--A new approach in high voltage DC-to-DC conversion[A]．Proceedings of IEEE PESC[C]．2002：663-668．