三电平DC-DC变换器的拓扑结构及其滑模控制方法

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1/2，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DC/DC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元件体积”的学术思想。 三电平DC-DC变换器是一种先进的电力电子转换技术，主要特点是能输出三种电压等级，即正电压、零电压和负电压，显著降低了开关元件（如IGBT或MOSFET）的工作应力。这种变换器尤其适用于高压输入、大功率输出的场景，如风力发电、电动汽车和工业电源系统。 在1992年，J.Renes Pinheiro提出的零电压开关三电平DC/DC变换器开创了这一领域的先河。这种变换器的创新之处在于，通过使用两颗开关管串联，开关管承受的电压仅为输入电压的一半，从而极大地降低了开关损耗。此外，通过巧妙的电路设计，三电平变换器还能减小滤波器的尺寸，提升系统的动态响应，这符合了利用主动控制减少无源元件体积的设计理念。 三电平DC/DC变换器的拓扑结构多样，包括阳极单元和阴极单元两种基本开关单元。阳极单元的箝位二极管阳极连接到箝位电压源的中点，而阴极单元则是箝位二极管的阴极与中点相连。基于这两种单元，可以构建六种非隔离的三电平变换器，如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta变换器。虽然这些变换器输入输出不共地，但通过引入隔直电容并改进结构，可以实现输入输出共地，扩大其适用范围。 隔离型三电平变换器包括Forward、Flyback、Push-Pull、半桥和全桥等，同样降低了开关应力并提升了效率。例如，全桥三电平DC/DC变换器可以提供更平滑的输出电压，进一步减少了滤波元件的需求。 在滤波元件的选择上，三电平变换器的优势更为明显。与传统两电平变换器相比，其电感电流脉动减小，允许使用更小的电感和电容，降低系统体积和重量，同时提高动态响应性能。以Buck三电平变换器为例，其电感电流脉动仅为传统Buck变换器的四分之一，这意味着在保持相同脉动水平的情况下，三电平变换器的滤波器尺寸可显著减小。 三电平DC-DC变换器通过独特的拓扑结构和控制策略，实现了开关应力的降低、滤波器参数的减小以及系统性能的优化，是现代电力电子领域的重要技术之一。随着技术的不断发展，三电平变换器将在更多领域发挥关键作用，推动电力系统向更高效率、更小体积的方向发展。