采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器

1 引言

　　J. Renes Pinheiro于1992年提出了零电压开关三电平DC-DC变换器[1]，该变换器的开关应力为输入直流电压的一半，非常适合于输入电压高、输出功率大的应用场合。因此，三电平变换器引起了广泛关注，得到了长足发展。目前，三电平技术在已有的DC-DC变换器中，均得到了很好的应用。部分三电平DC-DC变换器在降低开关应力的同时，还大大减小了滤波器的体积，提高了变换器的动态特性。三电平技术的应用，充分体现了“采用有源控制的方式减小无源器件体积”的学术思想。
　　文献[2]详细分析了隔离与非隔离的三电平变换器的主电路拓扑结构。而本文是对PWM三电平变换器的控制电路进行分析和设计。文中采用比较器、运算放大器和RS触发器等分立元件实现PWM Buck三电平变换器的控制。该方法控制电路简单，易于实现，成本低，可以直接推广到其它非隔离三电平变换器的控制中。

2 Buck三电平变换器

2.1 三电平两种开关单元

　　文献[3]分析了三电平DC-DC变换器的推导过程：用两只开关管串联代替一只开关管以降低电压应力，并引入一只箝位二极管和箝位电压源(它被均分为两个相等的电压源)确保两只开关管电压应力均衡。电路中开关管的位置不同，其箝位电压源与箝位二极管的接法也不同。文中提取出两个三电平开关单元如下图1所示。图1(a)中，箝位二极管的阳极与箝位电压源的中点相连，称之为阳极单元；图1(b)中，箝位二极管的阴极与箝位电压源的中点相连，称之为阴极单元。

(a)三电平阳极单元　　　(b)三电平阴极单元
图1 两种三电平开关单元

2.2 Buck 三电平变换器

　　为了确保两只开关管的电压应力相等，三电平变换器一般由上述两种开关单元共同组成。文献[3]所分析的半桥式三电平变换器的推导思路，可以推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族三电平变换器拓扑。图2所示为Buck三电平变换器主电路拓扑及其四个工作模态(开关管的占空比大于0.5)。
　　模态1：如图2(a)所示。在t=0时刻，触发开关管,，使和导通，二极管,则反偏截止，电压源给电感L充电。
　　模态2：如图2(b)所示。在时刻，关断，仍然继续导通，则导通，截止，电压源给输出端供电，电感L放电。
　　模态3：如图2(c)所示。直至时刻，控制回路使,导通，出现与模态1相同的工作过程。
　　模态4：如图2(d)所示。当时刻，关断，使继续导通，则导通，截止，与模态2的工作过程类似。

(a) 模态1

(b) 模态2

(c) 模态3

(d) 模态4
图2 Buck三电平变换器

pwm相关文章:pwm原理

双控开关相关文章:双控开关原理