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首页 > 硬件设计 > 电源设计 > 采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器

采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器

时间:01-16 来源:互联网 点击:

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。

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(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

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导通,二极管

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则反偏截止,电压源

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

给电感L充电。
  模态2:如图2(b)所示。在

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

时刻,关断

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

,仍然继续导通

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导通,

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截止,电压源

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给输出端供电,电感L放电。
  模态3:如图2(c)所示。直至

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

时刻,控制回路使

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

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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

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

时刻,关断

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

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继续导通,则

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导通,

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截止,与模态2的工作过程类似。

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(a) 模态1

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...


(b) 模态2

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...


(c) 模态3

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...


(d) 模态4

图2 Buck三电平变换器


3 采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器

3.1 交错控制电路

  一般采用比较器、运算放大器和RS触发器等分立元件实现PWM Buck三电平变换器的交错控制。其主要的控制电路框图如下图所示。

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(a) 交错控制电路框图

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(b) 控制电路的主要波形

图3 交错控制电路框图和电路的主要波形

  如图3所示,时钟信号C1和C2相差180度,它们分别对应的锯

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也相差180度,电压误差放大器的输出信号

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分别与

闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鎯у⒔閹虫捇鈥旈崘顏佸亾閿濆簼绨奸柟鐧哥秮閺岋綁顢橀悙鎼闂侀潧妫欑敮鎺楋綖濠靛鏅查柛娑卞墮椤ユ艾鈹戞幊閸婃鎱ㄩ悜钘夌;婵炴垟鎳為崶顒佸仺缂佸鐏濋悗顓熶繆閵堝繒鍒伴柛鐕佸亞缁鈽夊Ο蹇撶秺閺佹劙宕ㄩ璺攨缂傚倷绀侀鍕嚄閸撲焦顫曢柟鎹愵嚙绾惧吋鎱ㄥ鍡楀幋闁稿鎹囬幃婊堟嚍閵夈儮鍋撻崸妤佺叆闁哄洦姘ㄩ崝宥夋煙閸愯尙鐒告慨濠勭帛閹峰懘宕ㄦ繝鍌涙畼闂備浇宕甸崰鍡涘磿閹惰棄绠查柕蹇曞濞笺劑鏌嶈閸撴瑩顢氶敐鍡欑瘈婵﹩鍘兼禍婊呯磼閻愵剙顎滃瀛樻倐瀵煡顢楅崟顑芥嫼闂佸湱枪濞撮绮婚幘瀵哥閻犲泧鍛煂闁轰礁鐗婃穱濠囧Χ閸涱喖娅ら梺绋款儌閸撴繄鎹㈠┑鍥╃瘈闁稿本绋戝▍锝咁渻閵堝繒鍒伴柕鍫熸倐楠炲啯绂掔€e灚鏅┑鐐村灦钃遍悹鍥╁仱濮婅櫣鎷犻垾铏亶闂佽崵鍣︽俊鍥箲閵忕姭鏀介悗锝庝簽閸婄偤姊洪棃娴ゆ盯宕橀妸銉喘婵犵數濮烽弫鍛婃叏閻戣棄鏋侀柟闂寸绾捐銇勯弽顐粶闁绘帒鐏氶妵鍕箳閹存繍浠肩紒鐐劤椤兘寮婚悢鐓庣鐟滃繒鏁☉銏$厽闁规儳顕ú鎾煙椤旂瓔娈滈柡浣瑰姈閹棃鍨鹃懠顒佹櫦婵犵數濮幏鍐礃椤忓啰椹抽梻渚€鈧稓鈹掗柛鏂跨Ф閹广垹鈹戠€n亜绐涘銈嗘礀閹冲秹宕Δ鍛拻濞达絽鎲$拹锟犳煙閾忣偅灏甸柍褜鍓氬銊︽櫠濡や胶鈹嶅┑鐘叉搐缁犵懓霉閿濆牆鈧粙濡搁埡鍌滃弳闂佸搫鍟犻崑鎾绘煕鎼达紕锛嶇紒杈╁仱楠炴帒螖娴e弶瀚介梻浣呵归張顒勬偡閵娾晛绀傜€光偓閸曨剛鍘甸梺鎯ф禋閸嬪懎鐣峰畝鈧埀顒冾潐濞叉粓寮拠宸殨濞寸姴顑愰弫鍥煟閹邦収鍟忛柛鐐垫暬濮婄粯鎷呴懞銉с€婇梺闈╃秶缁犳捇鐛箛娑欐櫢闁跨噦鎷�...

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相比较,再通过两个RS触发器得到相差180度的驱动信号

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3.2 驱动电路

  为提高电路的效率及功率器件工作的可靠性,一般需要将控制电路的输出信号加以功率放大。本文采用MC34152加隔离变压器驱动的方法来设计驱动电路。
  MC34152的外围电路简单,应用方便。它是8管脚的同相推挽驱动芯片,具体的内部结构和封装如图4所示。2,4脚为两路控制信号输入,经过芯片内部的推挽放大,直接输出同相的两路驱动信号(7,5脚)。为使芯片更加稳定地工作,一般在芯片的电源端并联一个滤去高频干扰的瓷片电容和一个滤去低频干扰的电解电容。
  当电路的功率较大及工作频率较高时,一般要将控制电路与主电路隔离。所以,本文采用隔离变压器来实现隔离。MC34152的输出经一隔直电容后直接可以输入到隔离变压器的原边。

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(a) MC34152内部结构图

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(b) MC34152封装图

图4 MC34152内部结构图及封装图

  本文所设计的驱动电路简单可行,驱动波形比较理想:有快速的上升沿,并在一开始有一定的过冲,可以加速开通,减小了开通损耗;同时,有反偏截止电压,提供了足够的反相门极驱动,减小了下降时间。

3.3 采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器

  采用分立元件实现的PWM Buck三电平变换器的系统框图如图5所示。

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图5 PWM Buck三电平变换器控制原理图


4 实验结果和分析

  为了验证上述所分析的控制和驱动电路设计的可行性,本文对输入电压为120V(90V~180V),输出为48V/4A,开关频率50kHz的PWM Buck三电平变换器进行了实验验证。实验结果表明,采用上述分立元件实现PWM Buck三电平变换器的控制是切实可行的。
  图6所示的即为采用分立元件来实现的PWM Buck三电平变换器的实验波形。

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