三电平Buck-Boost双向变换器的仿真研究

　双向DC/DC变换器具有双向能量流动能力，广泛应用于多电飞机高压直流配电系统[1][2]、UPS系统[3]、太阳能发电系统[4]、蓄电池充/放电系统，因此对于双向DC/DC变换器的研究也越来越广泛和深入。

　　1981年Akira Nabae教授提出三电平逆变器[8]，因其低开关管电压应力受到人们广泛兴趣；1992年Pinheiro教授针对三电平这一优点提出三电平零电压开关PWM直流变换器(Three-Level Zero-Voltage-Switching PWM Converter, TL ZVS PWM变换器)[5]；2002年阮新波教授应用两种基本三电平单元，推导出所有基本直流变换器的三电平拓扑[6]。但已有三电平直流变换器还存在以下不足（1）变换器能量单向流动，（2）变换器实现软开关复杂[7]。本文给出了输入输出共地式与输入输出不共地式两种三Buck-Boost双向变换器(Three-Level Buck-Boost Bi- directional Converter，简称TL Buck-Boost BDC)电路拓扑，及其交错互补控制方案；进行稳态工作原理分析，归纳出变换器的优缺点，指出在电感电流交错变化模式下所有开关管自动ZVS，为今后进一步研究打下理论基础。

1　输入输出共地式TL Buck-Boost BDC稳态原理　

　　图1（a）给出了输入输出共地式TL Buck-Boost BDC，其中Cblock为隔直电容，稳态时，其电压为1端口电压U1的一半。Q1、Q2、Q3、Q4是四只开关管，D1、D2 、D3 、D4分别是其体二极管，Lf是滤波电感，Cf1、Cf2是滤波电容。

　　在分析工作原理之前，作如下假设：

　　1) 所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件；
　　2) Cblock可以看成电压为U1/2的电压源；
　　3) 两端口电容足够大，等效为电压源U1、U2。

　　在该变换器中，控制方案的合理选取十分关键，文中方案选取基于以下考虑：若让Q1、Q4同时导通，则U1、Q1、Cblock、Q4形成环路，因U1 Ucblock，则回路中会出现大电流，不可取；同理，Q2、Q3也不能同时导通。所以该变换器中四个开关管采取如下的交错互补驱动信号： Q1、Q4驱动信号互补，Q2、Q3驱动信号互补； Q1和Q2交错工作，驱动信号相差180°相角；Q3和Q4交错工作，驱动信号相差180°相角。

1.1　稳态工作原理

　　稳态工作时，不同占空比(D0.5 ,D=0.5，D>0.5)，变换器工作模式有所不同。在同一占空比情况下，电感电流iLf分别为恒大于零，交错变化或恒小于零时，变换器的工作情况也各不相同。因此

根据占空比D与电感电流iLf的不同，变换器共有9种工作模式，如表1所示。这里选取D>0.5（D0.5 ，D=0.5的工作情况与D>0.5的分析方法和结论类似，因篇幅限制，文中不再赘述）下的三种典型模式进行分析，主要原理波形如图2所示。电感电流iLf过零时，一个开关周期内变换器共有8种开关模态，如图3所示。电感电流恒大于零和恒小于零时，变换器的工作模态分别是电感电流过零时8种工作模态中的四种工作模态，见图2。

1.1.1　电感电流恒大于零的工作模态分析

　　1）开关模态1[t0，t2][图3（2）]

　　t0时刻之前，电感电流iLf从A向U2方向（定义为正向电感电流方向）流过Q2、Cblock、D4。t0时刻，Q4关断，Q1开通，iLf流过Q1、Q2。AB间电压为U1，Q3、Q4上的电压为U1/2。iLf线性增加。

　　2）开关模态2[t2，t4] [图3（3）]
　
　　t2时刻，Q2关断，Q3开通，iLf流过Q1、Cblock、D3，Cblock充电，AB间电压为U1/2，Q2、Q4上的电压为U1/2。电感iLf电流线性减少。

　　3）开关模态3[t4，t6] [图3（6）]

　　t4时刻，Q3关断，Q2开通，iLf流过Q1、Q2， AB间电压为U1，Q3、Q4上的电压为U1/2。电感iLf电流线性增加。该开关模态与开关模态1相同。

　　4）开关模态4[t6，t8] [图3（7）]

　　t6时刻，Q1关断，Q4开通。iLf流过D4、Cblock、Q2， Cblock放电，AB间电压为U1/2，Q1、Q3上的电压为U1/2。iLf线性减少。
　　
　　t8时刻，Q4关断，Q1开通，开始下一个周期。

　　可见，电感电流恒大于零时，能量从1端口流向2端口，变换器工作在buck方式；输出电压U2=DU1，各个开关管承受的电压应力为U1/2，为对应二电平变换器的一半。

1.1.2　电感电流恒小于零的工作模态分析

　　电感电流恒小于零时，与电感电流恒大于零类似，拓扑一个周期也有四个开关模态，从图3的（1）→（4）→（5）→（8）→（1）。能量从2端口流向1端口，变换器工作在boost方式；输出电压U2=DU1，各个开关管承受的电压应力也为U1/2。

1.1.3　电感电流交替变化的工作模态分析

　　1）开关模态1 [t0，t1] [图3(1)]

　　t0时刻之前， iLf反向流过D2、Cblock 、Q4。t0时刻，Q4关断，iLf经D1、D2续流，Q1零电压开通，AB间电压为U1，Q3、Q4上承受的电压为U1/2。iLf线性减小，见图2。