输入输出共地的三电平变换器

输入输出共地的三电平变换器,第1张

输入输出共地的三电平变换器

阮新波,危健,薛雅丽

(南京航空航天大学,江苏 南京 210016)

    摘  要:三电平直流变换器不仅可以降低开关管的电压应力,同时还可以大大减小储能电感电容。但是6种不隔离的三电平变换器的输入输出不共地,其应用范围受到限制。该文引入隔直电容的概念,对这6种不隔离的三电平变换器进行改进,使其输入与输出共地,同时保留其所有优点:① 开关管电压应力只有其原型电路的一半;② 储能电感和电容可以大大减小。该文以Buck三电平变换器为例进行分析和实验验证。
   关键词:三电平变换器;脉宽调制;交错控制

1  引言
   [1]。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[2]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。
   但是,这6种非隔离的TL变换器的输入与输出是不共地的,这个缺点限制了它们的使用范围。本文对这6种非隔离的TL变换器进行改进,使其输入与输出共地,同时保留了它们的优点。本文以Buck TL变换器为例进行了分析和实验验证。
2  隔直电容的提出
    图1(a)是一个非隔离的半桥变换器,EE1、E2、E3和E4)和D两点是一个交变的方波电压,其幅值为Vin /2。通过由D1~D4组成的整流桥后,在AB两点得到幅值为Vin /2的直流方波电压。请注意,为了描述方便,这里将E点分解为E1、E2、E3和E44个点。
    当Q1导通时,滤波电感电流iLf流经分压电容Cd1、Q1、E1E3段、D3、LfCf //RLd、D2和CD段,最后回到D点。当Q2导通时,iLf流经分压电容Cd2、CD段、D1、LfCf //RLd、D4、E2E4段和Q2,最后回到电源负。由于E1E2段和E3E4段实际上没有流过电流,可以将其断开。而Q1和D3是串联的,可以将D3去掉。同理,也可以将D4去掉。将该变换器重新整理后得到图2所示的变换器,它实际上就是文[2]提出的Buck TL变换器。
    无论是半桥变换器还是Buck TL变换器,如果2只分压电容电压相等,Q1或Q2导通时,AB两点电压均为Vin /2。如果分压电容电压不相等,比如VCd1>VCd2,那么当Q1导通时,vAB>Vin/2;而Q2导通时,vAB<Vin/2。对于Buck TL变换器,分压电容电压不相等还会导致2只开关管电压应力不相等。
    在半桥变换器中,分压电容电压如果不相等,ED两点的交流电压中有直流分量。为了将直流分量去掉,可以在CD段串入一个隔直电容。同样,也可以在Buck TL变换器的CD段串入一个隔直电容Cblock,以保证Q1或Q2导通时,vAB=Vin/2,并且使Q1和Q2的电压应力均为Vin/2。

3  非隔离TL变换器的改进
3.1  Buck TL变换器的改进
    在图1(b)中,稳态工作时,Cblock的电压Vcb

也升高。如果将Cd1增大到无穷大,这时VCd1=0,VCd2=Vin,而Vcb=Vin/2。由于Cd1=¥,相当于短路,可以直接用一根导线代替,此时Cd2与输入电压并联,可以省去。这时可以将Q2移到电源正端,由此可以得到改进后的Buck TL变换器,如图2所示,其输入与输出是共地的。这里要说明的是,该变换器与文[3]提出的变换器是一样的。
3.2  Boost TL变换器的改进
    图3(a)是输入输出不共地的Boost TL变换器,同样可以在交流段串入一个隔直电容,稳态时,其电压为

Cf2保持不变,增大Cf1,那么VCf1将降低,VCf 2将升高。与此同时,Vcb也升高。如果将Cf1增大到无穷大,这时VCf 1=0,VCf 2=Vo,而Vcb=Vo /2。由于Cf1=¥,可以直接用导线短接。将D2移到上面,由此可以得到改进后的Boost TL变换器,如图3(b)所示,其输入输出是共地的。值得说明的是,该变换器与文[3]提出的变换器是一样的。

3.3  Buck-Boost TL变换器的改进
    图4(a)是输入输出不共地的Buck-Boost TL变换器,同样可以在交流段串入一个隔直电容,稳态时,其电压为

该变换器的改进可分2步进行。
    第1步:Cd2保持不变,将Cd1增大到无穷大,这时VCd1=0,VCd2=Vin,而Vcb=Vin/2。由于Cd1=¥,可以直接用导线短接,此时Cd2与输入电压并联,可以省去。这时可以将Q2移到电源正端。
    第2步:Cf2保持不变,将Cf1增大到无穷大,这时VCf1=0,VCf2=Vo,而Vcb=(Vin+Vo)/2。由于Cf1=¥,可以直接用导线短接。将D2移到上面。由此就得到了改进后的Boost TL变换器,如图4(b)所示,其输入与输出是共地的。

3.4  Cuk TL变换器的改进
    图5是输入输出不共地的Cuk TL变换器,也可在交流段串入一个隔直电容,稳态时,其电压为

可以直接用导线短接,由此可以得到改进后的Cuk TL变换器,其输入输出是共地的。

3.5  Sepic TL变换器的改进
    图6(a)是输入输出不共地的Sepic TL变换器,同样可以在交流段串入一个隔直电容,稳态时,其电压为

该变换器的改进也可分2步进行。
    第1步:Cb1保持不变,将Cb2增大到无穷大,这时VCb2=0,VCd1=Vin,而Vcb=Vin/2。由于Cb2=¥,可以直接用导线短接。
    第2步:Cf2保持不变,将Cf1增大到无穷大,这时VCf1=0,VCf2=Vo,而Vcb=(Vin-Vo)/2。由于Cf1=¥,可以直接用导线短接。将D2移到上面。由此就得到了改进后的Sepic TL变换器,如图6(b)所示,其输入与输出是共地的。

3.6  Zeta TL变换器的改进
    图7(a)是输入输出不共地的Zeta TL变换器,也可在交流段串入1个隔直电容,稳态时电压为

    该变换器的改进也可分2步进行。
    第1步:Cd2保持不变,将Cd1增大到无穷大,这时VCd1=0,VCd2=Vin,而Vcb=Vin/2。由于Cd1=¥,可以直接用导线短接,此时Cd2与输入电压并联,可以省去。这时可以将Q2移到电源正端。
    第2步:Cb1保持不变,将Cb2增大到无穷大,这时VCb2=0,VCb1=Vo,而Vcb=(Vin-Vo)/2。由于Cb2=¥,可以直接用导线短接。由此就得到了改进后的Zeta TL变换器,如图7(b)所示,其输入与输出是共地的。
4  输入输出共地的Buck TL变换器
4.1  工作原理

    本节以Buck TL变换器为例讨论输入输出共地的TL变换器的工作原理及其特性。参考图2,开关管Q1和Q2交错工作,其驱动信号相差180°相角。隔直电容Cblock一般较大,稳态工作时,其电压为Vcb=Vin/2。图8给出了开关管的占空比D大于0.5和小于0.5时的主要波形图,图9给出了各个开关模态的等效电路。

     参考图8(a),当D>0.5时,1个开关周期内有4个开关模态,其中[t0,t1]和[t2,t3]是一样的,2只开关管同时导通,加在AB两点的电压为Vin,电感电流iLf线性上升,如图9(a)所示。在[t1,t2]时段,Q2关断,Q1导通,Cblock给负载供电,如图9(b)所示。此时vAB=Vcb=Vin/2,iLf线性下降,加在Q2和D1上的电压为Vin /2。在[t3,t4]时段,Q2导通,Q1关断,iLf流过Cblock,如图9(c)所示。此时vAB=Vin-Vcb=Vin/2,iLf线性下降,加在Q1和D2上的电压为Vin/2。
    参考图8(b),当D<0.5时,1个开关周期有4个开关模态,其中[t1,t2]和[t3,t4]是一样的,2只开关管同时关断,如图9(d)所示,此时vAB=0,iLf线性下降。在[t0,t1]时段,Q1导通,Q2关断,Cblock给负载供电,此时vAB=Vcb=Vin/2,iLf线性上升,如图9(b)所示。在[t2,t3]时段,Q2导通,Q1关断,iLf流过Cblock,如图9(c)所示。此时vAB=Vin-Vcb=Vin/2,iLf线性上升。

4.2  输入、输出关系
    从图8(a)中可以得到


式中  Ts为开关周期;Ton为开关管的导通时间;Toff为开关管的截止时间。定义DTon/Ts为占空比。
    从图8(b)中可以得到

从式(7)和(8)可以看出,当电感电流连续时,输出电压与输入电压的比值为D,这与传统的Buck变换器是完全一样。当电感电流断续时,Buck TL变换器的输出电压与输入电压的关系与传统的Buck变换器是类似的,限于篇幅这里不再详细讨论。输入输出共地的Buck TL变换器的外特性与输入输出不共地的Buck TL变换器的外特性[4]是完全一样的。
4.3  特点
    前面的分析表明,输入输出共地的Buck TL变换器保留了输入输出不共地的Buck TL变换器的所有特点:
    (1)开关管和续流二极管的电压应力为Vin /2;
    (2)vAB可以得到三电平波形,滤波电感和电容可以大大减小。
5  实验验证
    为了验证改进的TL变换器的工作原理,在实验室完成了一个Buck TL变换器的原理样机,其主要参数为:输入直流电压为Vin=220~300V,输出电压为Vo=200V,额定输出电流为Io=5A,开关频率为fs=50kHz,阻断电容Cblock=4mF;滤波电感为Lf=350 mH,滤波电容为Cf=330 mF。与输入输出不共地的Buck TL变换器一样[4],Q1和Q2交错工作,其驱动信号相差180º相角。
    图10(a)和(b)分别给出了当输入电压为250V时,占空比大于0.5和小于0.5时的实验波形。从中可以看出,开关管Q1和Q2的电压应力为125V,是输入电压的一半。滤波器上电压的频率为100kHz,为开关频率的2倍,滤波电感电流的脉动频率也为开关频率的2倍。当占空比大于0.5时,滤波器上电压vABVin和Vin/2之间变化;当占空比小于0.5时,滤波器上电压vABVin/2和0之间变化。无论占空比大于或小于0.5,其交流分量均小于同等条件下Buck变换器滤波器上电压的交流分量,因此可以大大减小滤波器的大小。

6  结论
    本文首先引入隔直电容的概念,然后对输入输出不共地的6种非隔离的TL变换器进行了改进,使其输入与输出共地。改进后的变换器保留了改进前的变换器的所有优点,即:① 开关管的电压应力为输入电压的一半;② 续流二极管的电压应力为输入电压的一半;③ 可以大大减小储能元件的大小。最后以Buck TL变换器为例进行了分析和实验验证。

参考文献

[1]  Pinheiro J R,Ivo Barbi.The three-level zvs pwm converter-A new concept in high-voltage dc-to-dc conversion [A].IEEE IECON [C].1992:173-178.
[2]  Ruan Xinbo,Li Bin,Qianhong Chen.Three-level converters-A new concept in high voltage DC-to-DC conversion[A].in Proc. IEEE PESC[C].2002:663-668.
[3]  Meynard T A,Foch H.MulTI-level conversion: high voltage choppers and voltage-source inverters[A].IEEE PESC[C].1992:397-403.
[4]  李斌(Li Bin).三电平直流变换器的研究(Research on three-level DC-DC converter)[D].南京:南京航空航天大学(Nanjing:Nanjing University AeronauTIcs & AstronauTIcs),2002.

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