三电平Buck-Boost双向变换器的仿真研究

图2　D>0.5下的主要原理波形

　　2) 开关模态2 [t1，t2] [图3(2)]

　　t1时刻，该反向iLf下降为零，并经Q1、Q2正向增加，D1、D2关断。AB间电压仍为U1，Q3、Q4上电压为U1/2。

　　3）开关模态3[t2，t3] [图3(3)]

　　t2时刻，Q2关断，iLf流过Q1、Cblock、D3，Q3零电压开通。Cblock充电，AB间电压为U1/2，Q2和Q4上电压为U1/2。正向iLf线性减小。

　　4）开关模态4[t3，t4] [图3(4)]

　　t3时刻，该正向iLf下降为零，并经D1、Cblock、Q3反向增加，D3关断。Cblock放电，AB间电压为U1/2，Q2和Q4上电压为U1/2。

　　5）开关模态5[t4，t5] [图3(5)]

　　t4时刻，关断Q3， D1、D2续流，Q2零电压开通，AB间电压为U1，Q3和Q4上的电压为U1/2。反向iLf线性减少。该开关模态与开关模态1相同。

　　6）开关模态6[t5，t6] [图3(6)]

　　t5时刻，该反向iLf下降为零，并经Q1、Q2正向增加，D1、D2自然关断。AB间电压为U1，Q3、Q4上的电压为U1/2。该开关模态与开关模态2相同。

　　7）开关模态7[t6，t7] [图3(7)]

　　t6时刻，Q1关断，iLf流过D4、Cblock、Q2，Q4零电压开通，Cblock放电，AB间电压为U1/2，Q1、Q3上的电压为U1/2。正向iLf线性减小。

　　8）开关模态8[t7，t8] [图3(8)]

　　t7时刻，该正向iLf下降为零，并经D2、Cblock和Q4反向增加，D4关断。Cblock充电，AB间电压为U1/2，Q1和Q3上的电压为U1/2。iLf线性增加。

　　t8时刻，Q4关断，Q1开通，开始下一个周期。

　　由上分析可知，电感电流交替变化工作时，所有开关管均零电压开关，二极管自然关断，没有反向恢复电流。

1.2 基本关系

　　稳态时，由电感电压伏秒积平衡，可得到UCblock=U1/2，与原理分析前的假设2)一致。启动时，Cblock有一个建压的过程，Q1、Q4出现瞬时过压，也即存在启动期间开关管应力不均问题，须在今后研究中寻找合理的解决方案。

　　U2和U1的电压关系：

　　（1）

　　电感电流iLf的脉动为：

　　其中，Ts＝1/fs是开关周期，fs是开关频率；Ton为开关管的导通时间，Toff为开关管的截止时间。D＝Ton/Ts为占空比；△ILf、ILfmin和ILfmax分别为的电感电流脉动值、电感电流最小值和最大值。

2　输入输出不共地式TL Buck- Boost BDC稳态原理

　　图1（b）给出了输入/输出不共地式Buck-Boost TL BDC。Q1、Q2、Q3、Q4是四只开关管，D1、D2 、D3 、D4是它们的体二极管，Lf是滤波电感，Cb1、Cb2是均压电容，Cf2是滤波电容。各开关管给与输入输出共地式TL Buck–Boost BDC相同的驱动信号驱动，其工作方式相似，这里不再赘述。与输入输出共地式 Buck-Boost BDC相比，不存在启动问题，但也有以下不足：

　　1）Cb1，Cb2分压不均，导致开关管应力不均。

　　2）输入输出不共地，抗干扰能力差。

3　仿　真

　　为了验证本文所提控制方案的可行性，本节利用Saber对电路进行仿真分析。仿真所用参数如下：

　　·iLf恒大于零：U1=270VDC，D=0.8，I2=6A，fs=50kHz，Lf=350uH，Cf1=350uF；
　　·iLf交错变化：U1=270VDC，D=0.8，I2=6A，fs=50kHz，Lf=35uH，Cf1=350uF；
　　·iLf恒小于零：U2=200VDC，D=0.8，I1=2.5A，fs=50kHz，Lf=350uH，Cf2=350uF；

　　由仿真波形可以得到以下结论：

　　1）比较图4（a~c）中电感电流：iLf平均值可以正负改变，变换器为双向变换器；
　　2）图4（a~c）中隔直电容电压Vcblock稳定在U1/2，与理论分析一致；
　　3）图4（a~c）中Vds（Q1）、Vds（Q3）波形可知，开关管承受电压为U1/2，为二电平Buck-Boost BDC[12]的一半,与理论分析一致；
　　4）图4（a~e）中VAB频率为驱动信号Vgs的一倍，且相对于二电平Buck-Boost BDC变换器，VAB脉动从U1－0减小为U1－U1/2（D0.5下为U1/2－0），脉动值降低一半，这有利减小滤波器的体积和重量，提高变换器的动态性能；
　　5）分析图4（a~c）中iCblock与iLf，电感电流交替变化工作模态下，二极管自然关断，没有反向恢复电流，开关管均为零电压开关；
　　6） 交错控制方案使电感电流上升时间与下降时间均分一个周期，相对于非交错控制方案，电感电流纹波最小。如图4（d）、（e）所示，其中实线为 交错控制方案。

4　结　语

　　本文提出二种三电平Buck-Boost双向变换器电路拓扑及其交错互补控制方案，详细分析了D>0.5的三种典型工作方式，导出了基本关系，验证了控制方案的可行性，为进一步研究打下理论基础。


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