三电平DC/DC变换器的拓扑结构及其滑模控制方法_滑模boost - CSDN文库

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三电平三电平DC/DC变换器的拓扑结构及其滑模控制方法变换器的拓扑结构及其滑模控制方法

首先阐述了三电平DC/DC变换器拓扑的推导过程，给出了6种非隔离三电平DC/DC变换器和5种隔离三电平

DC/DC变换器拓扑结构；分析了三电平DC/DC变换器中，如何设计滤波电路的参数以提高其动态品质；最后以

Buck三电平变换器和BuckBoost三电平变换器为例，分析了滑模控制在三电平DC/DC变换器中的应用前景。

1 引言

J.Renes Pinheiro于1992年提出了零电压开关三电平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。

2 三电平DC/DC变换器拓扑的推导与发展

2.1 三电平两种开关单元

文献[2]分析了三电平DC/DC变换器的推导过程：用2只开关管串联代替1只开关管以降低电压应力，并引入1只箝位二极管

和箝位电压源(它被均分为两个相等的电压源)确保2只开关管电压应力均衡。电路中开关管的位置不同，其箝位电压源与箝位

二极管的接法也不同。文中提取出2个三电平开关单元如图1所示。图1(a)中，箝位二极管的阳极与箝位电压源的中点相连，称

之为阳极单元；图1(b)中，箝位二极管的阴极与箝位电压源的中点相连，称之为阴极单元。

2.2 六种非隔离三电平DC/DC变换器

三电平DC/DC变换器的推导过程可以总结为以下三个步骤：一是将基本变换器的开关管替换为相互串联的2只开关管；二是

寻找或构成箝位电压源；三是从箝位电压源的中点引入1只箝位二极管到相互串联的2只开关管的中点，箝位二极管的放置与2

只开关管与箝位电压源联接的地方有关。

为了确保2只开关管的电压应力相等，三电平DC/DC变换器一般由图1所示的两种开关单元共同组成。文献[2]所分析的半桥

式三电平DC/DC变换器的推导思路，可以推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族三电平DC/DC变换器拓扑，包括

Buck，Boost，BuckBoost，Cuk，Sepic，Zeta等6种非隔离的三电平DC/DC变换器，但是这6种非隔离的三电平DC/DC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。

　

(a) 三电平阳极单元 (b) 三电平阴极单元

图1 两种三电平开关单元

文献[10]提出将隔直电容引入到输入输出不共地的非隔离三电平DC/DC变换器中，并对变换器结构进行改进，使其输入与输

出共地。改进后的变换器保留了改进前的变换器的所有优点，即：开关管的电压应力为输入电压的1/2；可以大大减小储能元

件的参数；续流二极管的电压应力为输入电压的1/2。图2所示为6种输入输出共地的非隔离三电平DC/DC变换器。

(a)Buck三电平DC/DC变换器(b)Boost三电平DC/DC变换器(c)Buck-Boost三电平DC/DC变换器

(d)Cuk三电平DC/DC变换器(e)Sepic三电平DC/DC变换器(f)Zeta三电平DC/DC变换器

图2 非隔离式三电平DC/DC变换器

2.3 五种隔离三电平DC/DC变换器

同理，可以推导出Forward，Flyback，Push-Pull，半桥和全桥等隔离的三电平DC/DC变换器[2]，如图3所示。

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