非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法
阮新波，危健，薛雅丽
（南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏 南京 210016）
摘 要：在非隔离三电平变换器中，分压电容必须是均压的，以保证开关管电压应力相等。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路有差异，开关管的导通时间不完全相等，使得分压电容不均压，这样开关管电压应力不相等。为了解决这个问题，该文提出一种均压方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。
关键词：三电平变换器；脉宽调制；交错控制
1 引言
文[1]~[6]所讨论的三电平（Three-level，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。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[7]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。
在6种非隔离的TL变换器中，为了得到三电平波形，2只开关管为交错控制，其驱动信号相差180°相角。为了确保TL变换器正常工作，其分压电容必须均压。在实际应用中，由于控制电路和/或驱动电路总有微小差异，开关管的导通时间不可能完全相等，这样使得分压电容不均压，因此开关管电压应力也不相等，三电平波形也不对称。为了解决这个问题，本文提出一种方法，它通过调整开关管的导通时间，确保分压电容均压，论文最后给出实验结果，以验证本方法的有效性。
2 分压电容不均压的原因
2.1 Buck变换器的工作原理
图1给出了6种非隔离的TL变换器，下面以Buck TL变换器为例分析分压电容不均压的原因。
图2给出了Buck TL变换器的主要波形。Q1和Q2为交错控制，其驱动信号相差180º相角。
当开关管的占空比D>0.5时，在1个开关周期，一段时间内2只开关管同时导通，输入电压为负载提供能量，滤波器上的电压vAB=Vin；一段时间内只有Q1或Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB= Vin/2。当开关管的占空比D<0.5时，在1个开关周期，一段时间内只有Q1或Q2导通，此时分压电容Cd1或Cd2向负载提供能量，vAB=Vin/2；一段时间内2只开关管同时关断，滤波电感电流通过D1或D2续流，vAB=0。无论占空比大于或小于0.5，当滤波电感电流连续时，输出电压与输入电压的关系为Vo /Vin=D
2.2 分压电容不均压的原因
在1个开关周期内，当只有1只开关管导通时，2只分压电容轮流为负载提供能量。如果2只开关管的占空比完全相等，且开关管的特性完全相同，那么2只分压电容在1个开关周期内提供的能量完全相等，其电压是均衡的，均为输入电压Vin的一半，即VCd1 =VCd2=Vin/2。此时2只开关管的电压应力均为Vin/2，当只有1只开关管导通时，加在滤波器两端的电压vAB=Vin/2。
采用交错控制的控制电路框图及其主要波形如图3所示。时钟信号C1和C2相差180º，它们分别对应的锯齿波VRAMP1和VRAMP2也相差180º，电压误差放大器的输出信号VEA_Vo分别与VRAMP1和VRAMP2相比较，再通过2个RS触发器得到相差180º的驱动信号Q1和Q2。
在实际电路中，2个锯齿波不可能做到完全匹配，同时开关管的驱动电路以及开关管的开关特性也不可能完全相同，因此2只开关管的占空比必然存在一定的差异，这样2只分压电容在1个周期内所提供的能量不可能相等，其电压将1个高于Vin/2，另1个低于Vin /2。在图4中，假如Q1的导通时间比Q2多Dt，此时在1个周期内Cd1比Cd2提供的能量多，Cd1的电压低于Vin /2，而Cd2的电压高于Vin/2。相应地，Q1的电压应力低于Vin/2，而Q2的电压应力高于Vin/2。当只有Q1导通时，vAB低于Vin/2，而当只有Q2导通时，vAB高于Vin/2，因此vAB是不对称的。显然此时Buck TL变换器不能正常工作。
3 分压电容均压的方法
3.1 Buck TL变换器
为了使Buck TL变换器正常工作，必须确保分压电容均压，因此需要对开关管的占空比进行修正。图5给出了带有分压电容均压电路的交错控制电路框图及其主要波形。在图5(b)中，2个锯齿波的电压幅值不相等，VRAMP1的电压幅值大于VRAMP2的电压幅值，如果没有分压电容均压电路，Q1的占空比比Q2的占空比小，这样Cd1的电压比Cd2的电压高。