三電平DC/DC變換器的拓撲結構及其滑模控制方法??

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變換器拓撲結構；分析了三電平DC/DC變換器中，如何設計濾波電路的參數以提高其動態品質；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變換器中的應用前景。

關鍵詞：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三電平DC/DC變換器^[1]，該變換器的開關應力為輸入直流電壓的1/2，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應用場合。因此，三電平DC/DC變換器引起了廣泛關注，得到了長足發展。目前，三電平技術在已有的DC/DC變換器中，均得到了很好的應用。部分三電平DC/DC變換器在降低開關應力的同時，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動態特性。三電平技術的應用，充分體現了“采用有源控制的方式減小無源元件體積”的學術思想。

2??? 三電平DC/DC變換器拓撲的推導與發展

2.1??? 三電平兩種開關單元

??? 文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過程：用2只開關管串聯代替1只開關管以降低電壓應力，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只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同，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變換器的推導過程可以總結為以下三個步驟：一是將基本變換器的開關管替換為相互串聯的2只開關管；二是尋找或構成箝位電壓源；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的2只開關管的中點，箝位二極管的放置與2只開關管與箝位電壓源聯接的地方有關。

??? 為了確保2只開關管的電壓應力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開關單元共同組成。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，并對變換器結構進行改進，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點，即：開關管的電壓應力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲能元件的參數；續流二極管的電壓應力為輸入電壓的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，可以推導出Forward，Flyback，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。文獻[3,4]詳細分析了一類零電壓零電流開關復合式全橋三電平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變換器和傳統的Buck變換器中濾波器的參數設計為例進行比較。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

??? 在設計一個電源時，其輸出紋波大小都有明確的限制，據此，可以計算出輸出濾波電容的大小。經過分析，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的影響，濾波電容的值要適當放大，并采用多個較小容量電容并聯的方式以減小等效串聯電阻（ESR）。

4??? 滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應用研究

??? 在實際應用中，因為三電平DC/DC變換器開關數目比較多，控制相對比較復雜，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，且每個模態有其獨立的狀態方程，要對三電平DC/DC變換器進行系統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制(PWM)和交錯控制相結合的方法。但是PWM控制有其固有的缺陷，即它的控制性能依賴于系統參數。當系統受到瞬態或持續擾動時，系統的參數也會改變，甚至會出現參數不匹配的情況，這樣控制性能將大大降低。

??? 為了提高和改善三電平DC/DC變換器的穩定性，抗負載擾動及參數攝動，快速性等，現代控制理論如自適應控制，非線性反饋線性化控制，滑模變結構控制，最優控制，以及模糊控制，神經網絡等智能控制在三電平DC/DC變換器中的應用研究也將逐步開展。但目前還尚未有文獻論述。

??? 其中，滑模變結構控制在電力電子系統中改善魯棒性，動態品質，控制硬件電路的設計等方面取得了一些成果[8，9]。滑模控制本質上是一種變結構控制，它的突出優點是其控制性能不依賴于系統參數。文獻[8]詳細介紹了DC/DC變換器的滑模變結構控制，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，該方法保證了系統在大信號和小信號情況下的穩定性。

??? 對于三電平DC/DC變換器，由于其特有的多模態工作情況，很適合于采用滑模變結構控制來實現和改善變換器的動態性能和魯棒性。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簡單，理論上有無限高的開關頻率，但是受實際開關器件的頻率限制，要求在滑模控制的控制信號輸出端加一個延遲環節，一般采用施密特觸發器來實現。400Hz驅動信號是用來實現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變換器的開關數目比較多，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。關于這方面的研究，作者將在另文中作進一步的探索。

5??? 結語

??? 本文從三電平DC/DC變換器拓撲的推導過程，三電平DC/DC變換器中濾波元件參數的設計，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變換器研究的現狀。