三電平DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其滑模控制方法??

摘要：首先闡述了三電平DC/DC變換器拓撲的推導(dǎo)過程，給出了6種非隔離三電平DC/DC變換器和5種隔離三電平DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)；分析了三電平DC/DC變換器中，如何設(shè)計濾波電路的參數(shù)以提高其動態(tài)品質(zhì)；最后以Buck三電平變換器和Buck?Boost三電平變換器為例，分析了滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：三電平；DC/DC變換器；滑模控制

1??? 引言

??? J.Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關(guān)三電平DC/DC變換器^[1]，該變換器的開關(guān)應(yīng)力為輸入直流電壓的1/2，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場合。因此，三電平DC/DC變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長足發(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(yīng)用。部分三電平DC/DC變換器在降低開關(guān)應(yīng)力的同時，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動態(tài)特性。三電平技術(shù)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無源元件體積”的學(xué)術(shù)思想。

2??? 三電平DC/DC變換器拓撲的推導(dǎo)與發(fā)展

2.1??? 三電平兩種開關(guān)單元

??? 文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程：用2只開關(guān)管串聯(lián)代替1只開關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入1只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個相等的電壓源)確保2只開關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開關(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2個三電平開關(guān)單元如圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陽極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陰極單元。

2.2??? 六種非隔離三電平DC/DC變換器

??? 三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程可以總結(jié)為以下三個步驟：一是將基本變換器的開關(guān)管替換為相互串聯(lián)的2只開關(guān)管；二是尋找或構(gòu)成箝位電壓源；三是從箝位電壓源的中點引入1只箝位二極管到相互串聯(lián)的2只開關(guān)管的中點，箝位二極管的放置與2只開關(guān)管與箝位電壓源聯(lián)接的地方有關(guān)。

??? 為了確保2只開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開關(guān)單元共同組成。文獻[2]所分析的半橋式三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)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DC/DC變換器拓撲，包括Buck，Boost，Buck?Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的三電平DC/DC變換器，但是這6種非隔離的三電平DC/DC變換器的輸入與輸出是不共地的，這個缺點限制了它們的使用范圍。

(a)??? 三電平陽極單元??? (b)??? 三電平陰極單元

圖1??? 兩種三電平開關(guān)單元

??? 文獻[10]提出將隔直電容引入到輸入輸出不共地的非隔離三電平DC/DC變換器中，并對變換器結(jié)構(gòu)進行改進，使其輸入與輸出共地。改進后的變換器保留了改進前的變換器的所有優(yōu)點，即：開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲能元件的參數(shù)；續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2。圖2所示為6種輸入輸出共地的非隔離三電平DC/DC變換器。

(a)Buck三電平DC/DC變換器(b)Boost三電平DC/DC變換器(c)Buck-Boost三電平DC/DC變換器

(d)Cuk三電平DC/DC變換器(e)Sepic三電平DC/DC變換器(f)Zeta三電平DC/DC變換器

圖2??? 非隔離式三電平DC/DC變換器

2.3??? 五種隔離三電平DC/DC變換器

??? 同理，可以推導(dǎo)出Forward，F(xiàn)lyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的三電平DC/DC變換器[2]，如圖3所示。

(a)??? Forward三電平DC/DC變換器

(b)Flyback三電平DC/DC變換器

(c)??? Push-Pull三電平DC/DC變換器

(d)??? 半橋三電平DC/DC變換器

(e)??? 全橋三電平DC/DC變換器

圖3??? 隔離式三電平DC/DC變換器

3??? 三電平DC/DC變換器中濾波元件參數(shù)的選擇

??? 上述6種非隔離的三電平DC/DC變換器和全橋三電平DC/DC變換器均可以得到三電平輸出波形，從而大大減小了濾波元件的參數(shù)。文獻[3,4]詳細分析了一類零電壓零電流開關(guān)復(fù)合式全橋三電平DC/DC變換器，該變換器的輸出整流電壓高頻交流分量很小，可以減小輸出濾波器，改善變換器的動態(tài)性能；同時其輸入電流脈動很小，可以減小輸入濾波器。

??? 下面以Buck三電平DC/DC變換器和傳統(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設(shè)計為例進行比較。圖4表明Buck三電平DC/DC變換器的電感電流最大脈動量僅為Buck變換器的1/4。如果兩者電感電流脈動的最大值相同，那么Buck三電平DC/DC變換器的濾波電感量可減小為Buck變換器的濾波電感量的1/4。

圖4??? BuckTL變換器的電感量為Buck變換器電感的1/4

??? 在設(shè)計一個電源時，其輸出紋波大小都有明確的限制，據(jù)此，可以計算出輸出濾波電容的大小。經(jīng)過分析，如果電感電流脈動相同，Buck三電平DC/DC變換器的輸出濾波電容放電頻率較Buck變換器提高了1倍，因此其濾波電容是可以減小為Buck變換器濾波電容量的1/2。考慮到電容寄生參數(shù)的影響，濾波電容的值要適當(dāng)放大，并采用多個較小容量電容并聯(lián)的方式以減小等效串聯(lián)電阻（ESR）。

4??? 滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應(yīng)用研究

??? 在實際應(yīng)用中，因為三電平DC/DC變換器開關(guān)數(shù)目比較多，控制相對比較復(fù)雜，對它的控制方法的研究還處于起步階段。三電平DC/DC變換器工作時有多個模態(tài)，且每個模態(tài)有其獨立的狀態(tài)方程，要對三電平DC/DC變換器進行系統(tǒng)的解析分析比較困難。目前，三電平DC/DC變換器中一般采用脈寬調(diào)制(PWM)和交錯控制相結(jié)合的方法。但是PWM控制有其固有的缺陷，即它的控制性能依賴于系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受到瞬態(tài)或持續(xù)擾動時，系統(tǒng)的參數(shù)也會改變，甚至?xí)霈F(xiàn)參數(shù)不匹配的情況，這樣控制性能將大大降低。

??? 為了提高和改善三電平DC/DC變換器的穩(wěn)定性，抗負載擾動及參數(shù)攝動，快速性等，現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制，非線性反饋線性化控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，最優(yōu)控制，以及模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制在三電平DC/DC變換器中的應(yīng)用研究也將逐步開展。但目前還尚未有文獻論述。

??? 其中，滑模變結(jié)構(gòu)控制在電力電子系統(tǒng)中改善魯棒性，動態(tài)品質(zhì)，控制硬件電路的設(shè)計等方面取得了一些成果[8，9]。滑模控制本質(zhì)上是一種變結(jié)構(gòu)控制，它的突出優(yōu)點是其控制性能不依賴于系統(tǒng)參數(shù)。文獻[8]詳細介紹了DC/DC變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制，論述了如何以等效控制作為分析手段來分析Buck,Boost,Buck?Boost變換器，該方法保證了系統(tǒng)在大信號和小信號情況下的穩(wěn)定性。

??? 對于三電平DC/DC變換器，由于其特有的多模態(tài)工作情況，很適合于采用滑模變結(jié)構(gòu)控制來實現(xiàn)和改善變換器的動態(tài)性能和魯棒性。圖5給出了Buck三電平DC/DC變換器的實驗原理圖，圖6給出了Buck?Boost三電平DC/DC變換器的實驗原理圖。滑模控制硬件電路實現(xiàn)簡單，理論上有無限高的開關(guān)頻率，但是受實際開關(guān)器件的頻率限制，要求在滑模控制的控制信號輸出端加一個延遲環(huán)節(jié)，一般采用施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)。400Hz驅(qū)動信號是用來實現(xiàn)電壓輸入擾動和負載擾動，以驗證滑模控制對這兩個擾動的魯棒特性。

圖5??? 基于滑模控制的Buck三電平DC/DC變換器實驗原理圖

圖6??? 基于滑模控制的Buck?Boost三電平DC/DC變換器實驗原理圖

??? 但是,由于三電平DC/DC變換器的開關(guān)數(shù)目比較多，不再是簡單的{0,1}標量控制，這給滑模面的選擇和控制律的選取造成了一定的困難。關(guān)于這方面的研究，作者將在另文中作進一步的探索。

5??? 結(jié)語

??? 本文從三電平DC/DC變換器拓撲的推導(dǎo)過程，三電平DC/DC變換器中濾波元件參數(shù)的設(shè)計，以及三電平DC/DC變換器中控制方法的研究等幾個方面詳細論述了近年來三電平DC/DC變換器研究的現(xiàn)狀。