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和电容。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
零电压开关三电平直流变换器（Zero-Voltage- Switching Three-Level dc/dc Converter，ZVS 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[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，E（E1、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、Lf、Cf //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、Lf、Cf //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为
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