电源设计指南：拓扑结构（三）

中的应用前景。

1引言

J.RenesPinheiro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1/2，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DC/DC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元件体积”的学术思想。

2三电平DC/DC变换器拓扑的推导与发展

2.1三电平两种开关单元

文献[2]分析了三电平DC/DC变换器的推导过程：用2只开关管串联代替1只开关管以降低电压应力，并引入1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2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2个三电平开关单元如图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。

2.2六种非隔离三电平DC/DC变换器

三电平DC/DC变换器的推导过程可以总结为以下三个步骤：一是将基本变换器的开关管替换为相互串联的2只开关管；二是寻找或构成箝位电压源；三是从箝位电压源的中点引入1只箝位二极管到相互串联的2只开关管的中点，箝位二极管的放置与2只开关管与箝位电压源联接的地方有关。

为了确保2只开关管的电压应力相等，三电平DC/DC变换器一般由图1所示的两种开关单元共同组成。文献[2]所分析的半桥式三电平DC/DC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DC/DC变换器拓扑，包括Buck，Boost，Buck?Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6种非隔离的三电平DC/DC变换器，但是这6种非隔离的三电平DC/DC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。

(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

文献[10]提出将隔直电容引入到输入输出不共地的非隔离三电平DC/DC变换器中，并对变换器结构进行改进，使其输入与输出共地。改进后的变换器保留了改进前的变换器的所有优点，即：开关管的电压应力为输入电压的1/2；可以大大减小储能元件的参数；续流二极管的电压应力为输入电压的1/2。图2所示为6种输入输出共地的非隔离三电平DC/DC变换器。

(a)Buck三电平DC/DC变换器(b)Boost三电平DC/DC变换器(c)Buck-Boost三电平DC/DC变换器

(d)Cuk三电平DC/DC变换器(e)Sepic三电平DC/DC变换器(f)Zeta三电平DC/DC变换器

图2非隔离式三电平DC/DC变换器

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2.3五种隔离三电平DC/DC变换器

同理，可以推导出Forward，Flyback，Push-Pull，半桥和全桥等隔离的三电平DC/DC变换器[2]，如图3所示。

(a)Forward三电平DC/DC变换器

(b)Flyback三电平DC/DC变换器

(c)Push-Pull三电平DC/DC变换器

(d)半桥三电平DC/DC变换器

(e)全桥三电平DC/DC变换器

图3隔离式三电平DC/DC变换器

3三电平DC/DC变换器中滤波元件参数的选择

上述6种非隔离的三电平DC/DC变换器和全桥三电平DC/DC变换器均可以得到三电平输出波形，从而大大减小了滤波元件的参数。文献[3,4]详细分析了一类零电压零电流开关复合式全桥三电平DC/DC变换器，该变换器的输出整流电压高频交流分量很小，可以减小输出滤波器，改善变换器的动态性能；同时其输入电流脉动很小，可以减小输入滤波器。

下面以Buck三电平DC/DC变换器和传统的Buck变换器中滤波器的参数设计为例进行比较。图4表明Buck三电平DC/DC变换器的电感电流最大脉动量仅为Buck变换器的1/4。如果两者电感电流脉动的最大值相同，那么Buck三电平DC/DC变换器的滤波电感量可减小为Buck变换器的滤波电感量的1/4。

图4BuckTL变换器的电感量为Buck变换器电感的1/4

在设计一个电源时，其输出纹波大小都有明确的限制，据此，可以计算出输出滤波电容的大小。经过分析，如果电感电流脉动相同，Buck三电平DC/DC变换器的输出滤波电容放电频率较Buck变换器提高了1倍，因此其滤波电容是可以减小为Buck变换器滤波电容量的1/2。考虑到电容寄生参数的影响，滤波电容的值要适当放大，并采用多个较小容量电容并联的方式以减小等效串联电阻（ESR）。

4滑模控制在三电平DC/DC变换器中的应用研究

在实际应用中，因为三电平DC/DC变换器开关数目比较多，控制相对比较复杂，对它的控制方法的研究还处于起步阶段。三电平DC/DC变换器工作时有多个模态，且每个模态有其独立的状态方程，要对