输入输出共地的三电平变换器
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2021-02-03
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输入输出共地的三电平变换器输入输出共地的三电平变换器
摘 要：三电平直流变换器不仅可以降低开关管的电压应力，同时还可以大大减小储能电感和电容。但是6种不隔离的三电平
变换器的输入输出不共地，其应用范围受到限制。该文引入隔直电容的概念，对这6种不隔离的三电平变换器进行改进，使其
输入与输出共地，同时保留其所有优点：① 开关管电压应力只有其原型电路的一半；② 储能电感和电容可以大大减小。该文
以Buck三电平变换器为例进行分析和实验验证。
关键词关键词：三电平变换器；脉宽调制；交错控制
1 引言引言
零电压开关三电平直流变换器（Zero-Voltage- Switching Three-Level dc/dc Converter，ZVS TL变换器）的最大优点是它的开关管电压应力为输入直流
电压的一半，因此非常适用于高输入电压中大功率应用场合
[1]
。该TL变换器实质上是一个半桥变换器，因此应更准确地定义为半桥TL变换器。文[2]分析了
半桥TL变换器的推导思路，并将该推导思路推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族TL变换器电路拓扑，包括Buck，Boost，Buck-
Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6种非隔离的TL变换器。以及Forward，Flyback，Push-Pull，半桥和全桥等隔离的TL变换器。这些变换器中开关管的电压应
力为其原型电路的一半，其中6种非隔离的TL变换器和全桥TL变换器还可以得到三电平波形，从而大大减小滤波元件的大小。
但是，这6种非隔离的TL变换器的输入与输出是不共地的，这个缺点限制了它们的使用范围。本文对这6种非隔离的TL变换器进行改进，使其输入与输出
共地，同时保留了它们的优点。本文以Buck TL变换器为例进行了分析和实验验证。
2 隔直电容的提出隔直电容的提出
图1(a)是一个非隔离的半桥变换器，E（E
1
、E
2
、E
3
和E
4
）和D两点是一个交变的方波电压，其幅值为V
in
/2。通过由D
1
~D
4
组成的整流桥后，在AB两点
得到幅值为V
in
/2的直流方波电压。请注意，为了描述方便，这里将E点分解为E
1
、E
2
、E
3
和E
4
4个点。
当Q
1
导通时，滤波电感电流i
Lf
流经分压电容C
d1
、Q
1
、E
1
E
3
段、D
3
、L
f
、C
f
//R
Ld
、D
2
和CD段，最后回到D点。当Q
2
导通时，i
Lf
流经分压电
容C
d2
、CD段、D
1
、L
f
、C
f
//R
Ld
、D
4
、E
2
E
4
段和Q
2
，最后回到电源负。由于E
1
E
2
段和E
3
E
4
段实际上没有流过电流，可以将其断开。而Q
1
和D
3
是串联
的，可以将D
3
去掉。同理，也可以将D
4
去掉。将该变换器重新整理后得到图2所示的变换器，它实际上就是文[2]提出的Buck TL变换器。
无论是半桥变换器还是Buck TL变换器，如果2只分压电容电压相等，Q
1
或Q
2
导通时，AB两点电压均为V
in
/2。如果分压电容电压不相等，比
如V
Cd1
>V
Cd2
，那么当Q
1
导通时，v
AB
>V
in
/2；而Q
2
导通时，v
AB
<V
in
/2。对于Buck TL变换器，分压电容电压不相等还会导致2只开关管电压应力不相
等。
在半桥变换器中，分压电容电压如果不相等，ED两点的交流电压中有直流分量。为了将直流分量去掉，可以在CD段串入一个隔直电容。同样，也可以
在Buck TL变换器的CD段串入一个隔直电容C
block
，以保证Q
1
或Q
2
导通时，v
AB
=V
in
/2，并且使Q
1
和Q
2
的电压应力均为V
in
/2。
3 非隔离非隔离TL变换器的改进变换器的改进
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