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(D<0.5 ,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(D<0.5 ,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。
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:
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(D<0.5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。
参考文献:
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[7] J.Renes Pinheiro and Ivo Barbi.Wide load range the three-level zvs pwm dc-to-dc converter[A].IEEE PESC.[D]. 1993.171~177
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