中心議題：

• Buck三電平變換器的工作原理及特點(diǎn)
• 采用分立元件實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器設(shè)計(jì)

解決方案：

• 交錯(cuò)控制電路設(shè)計(jì)
• 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
• 采用分立元件實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器

0 引言

J. Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開(kāi)關(guān)三電平DC-DC變換器[1]，該變換器的開(kāi)關(guān)應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，三電平變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，三電平技術(shù)在已有的DC-DC變換器中，均得到了很好的應(yīng)用。部分三電平DC-DC變換器在降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力的同時(shí)，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動(dòng)態(tài)特性。三電平技術(shù)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無(wú)源器件體積”的學(xué)術(shù)思想。

文獻(xiàn)[2]詳細(xì)分析了隔離與非隔離的三電平變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而本文是對(duì)PWM三電平變換器的控制電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。文中采用比較器、運(yùn)算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。該方法控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可以直接推廣到其它非隔離三電平變換器的控制中。

1    Buck三電平變換器

1.1    三電平兩種開(kāi)關(guān)單元
文獻(xiàn)[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過(guò)程：用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)代替一只開(kāi)關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入一只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個(gè)相等的電壓源)確保兩只開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開(kāi)關(guān)管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出兩個(gè)三電平開(kāi)關(guān)單元如下圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱之為陽(yáng)極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱之為陰極單元。

(a)三電平陽(yáng)極單元    (b)三電平陰極單元
圖1    兩種三電平開(kāi)關(guān)單元

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1.2    Buck三電平變換器
為了確保兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平變換器一般由上述兩種開(kāi)關(guān)單元共同組成。文獻(xiàn)[2]所分析的半橋式三電平變換器的推導(dǎo)思路，可以推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族三電平變換器拓?fù)洹D2為Buck三電平變換器主電路拓?fù)浼捌?個(gè)工作模態(tài)。

模態(tài)1：如圖2(a)所示。在t=0時(shí)刻，觸發(fā)開(kāi)關(guān)管S2，使S2導(dǎo)通，二極管D2則反偏截止，電壓源Vin通過(guò)隔直電容Cb給電感L充電。

模態(tài)2：如圖2(b)所示。在t=t1時(shí)刻，關(guān)斷S2，則D2導(dǎo)通，電路由D1及D2續(xù)流，電感L放電。

模態(tài)3：如圖2(c)所示。直至t=t2時(shí)刻，控制電路使S1導(dǎo)通，二極管D1則反偏截止，隔直電容Cb向電感L放電。

模態(tài)4：如圖2(d)所示。當(dāng)t=t3時(shí)刻，關(guān)斷S1，則D1導(dǎo)通，電路由D1及D2續(xù)流，電感L放電，與模態(tài)2的工作過(guò)程類似。

        
(a)模態(tài)1                                           (b)模態(tài)2
               
(c)模態(tài)3                                         (d)模態(tài)4
圖2    Buck三電平變換器

2 采用分立元件實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器

2.1 交錯(cuò)控制電路
一般采用比較器、運(yùn)算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯(cuò)控制。其主要的控制電路框圖如下圖所示。

(a) 交錯(cuò)控制電路框圖

(b) 控制電路的主要波形
圖3 交錯(cuò)控制電路框圖和電路的主要波形

如圖3所示，時(shí)鐘信號(hào)C1和C2相差180度，它們分別對(duì)應(yīng)的鋸 VRAMP1 和 VRAMP2 也相差180度，電壓誤差放大器的輸出信號(hào) VEA、Vo 分別與 VRAMP1 和 VRAMP2 相比較，再通過(guò)兩個(gè)RS觸發(fā)器得到相差180度的驅(qū)動(dòng)信號(hào) G1 和 G2 。
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2.2 驅(qū)動(dòng)電路
為提高電路的效率及功率器件工作的可靠性，一般需要將控制電路的輸出信號(hào)加以功率放大。本文采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。

MC34152的外圍電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。它是8管腳的同相推挽驅(qū)動(dòng)芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝如圖4所示。2，4腳為兩路控制信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)(7，5腳)。為使芯片更加穩(wěn)定地工作，一般在芯片的電源端并聯(lián)一個(gè)濾去高頻干擾的瓷片電容和一個(gè)濾去低頻干擾的電解電容。

當(dāng)電路的功率較大及工作頻率較高時(shí)，一般要將控制電路與主電路隔離。所以，本文采用隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離。MC34152的輸出經(jīng)一隔直電容后直接可以輸入到隔離變壓器的原邊。

 
(a) MC34152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖  (b) MC34152封裝圖
圖4 MC34152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及封裝圖

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可行，驅(qū)動(dòng)波形比較理想：有快速的上升沿，并在一開(kāi)始有一定的過(guò)沖，可以加速開(kāi)通，減小了開(kāi)通損耗；同時(shí)，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動(dòng)，減小了下降時(shí)間。

2.3 采用分立元件實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器
采用分立元件實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　PWM Buck三電平變換器控制原理圖

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證上述所分析的控制和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的可行性，本文對(duì)輸入電壓為120V(90V~180V)，輸出為48V/4A，開(kāi)關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實(shí)可行的。

圖6所示的即為采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器的實(shí)驗(yàn)波形。

(a)ch1-G1；ch2-G2

(b)ch1-Q1；ch2-Q2

(c)ch3-iL；ch2-Vds2；ch4-Vab

(d)ch3-Vin；ch2-Vout
圖6 實(shí)驗(yàn)波形

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從圖6中可以看出，采用上述分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實(shí)可行的。

(a)圖中，示意的是交錯(cuò)控制電路的兩路輸出波形 G1 和 G2?？梢钥闯銎湔伎毡染笥?.5。開(kāi)關(guān)頻率為50kHz 。要實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)也變得非常簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)鋸齒波 VRAMP1 和 VRAMP2 頻率即可。

(b)圖中，示意了隔離變壓器副邊輸出的兩路驅(qū)動(dòng)波形，可以直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)波形比較理想：有快速的上升沿，并在一開(kāi)始有一定的過(guò)沖，可以加速開(kāi)通，減小了開(kāi)通損耗；同時(shí)，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動(dòng)，減小了下降時(shí)間；很好地驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是合理的。

(c)圖中，輸入電壓 Vin 為170VDC，恒流電子負(fù)載 Iout 為4A。Vds2 為開(kāi)關(guān)管 Q2 工作時(shí)的漏源極電壓波形，開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)均沒(méi)有大的尖峰，對(duì)開(kāi)關(guān)管而言是比較理想的波形。Vab 為兩個(gè)開(kāi)關(guān)管共同工作所輸出的三電平波形，可見(jiàn)其頻率為開(kāi)關(guān)頻率的兩倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻(xiàn)[4,5]詳細(xì)分析了一類零電壓零電流開(kāi)關(guān)復(fù)合式全橋三電平DC-DC變換器，該變換器的輸出整流電壓高頻交流分量很小，可以減小輸出濾波器，改善變換器的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)其輸入電流脈動(dòng)很小，可以減小輸入濾波器。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)論述了Buck三電平變換器和傳統(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)的分析和比較。iL 為輸出濾波電感上流過(guò)的電流波形。

(d)圖中，恒流電子負(fù)載 Iout 為4A。圖中示意了輸入電壓 Vin 從125伏跳變到110伏時(shí)，輸出電壓 Vout 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線?？梢钥闯鲈揚(yáng)WM Buck三電平變換器電路的穩(wěn)定性比較好。在輸入電壓的變化范圍(90V~180V)內(nèi)，可以較快地穩(wěn)定在額定輸出的電壓值 Vout = 48V 上。

4 結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)要論述三電平變換器拓?fù)涞耐茖?dǎo)過(guò)程；介紹了Buck三電平變換器主電路拓?fù)浼捌湓陂_(kāi)關(guān)管的占空比大于0.5時(shí)的四個(gè)工作模態(tài)；詳細(xì)分析了采用比較器、運(yùn)算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯(cuò)控制。該方法控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，可以直接推廣到其它非隔離三電平變換器的控制中。并對(duì)采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路作了介紹。最后對(duì)輸入電壓為120V(90V~180V)，輸出為48V/4A，開(kāi)關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述分立元件實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實(shí)可行的。