中心議題：
- Buck三電平變換器的工作原理及特點
- 采用分立元件實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器設(shè)計
解決方案：
- 交錯控制電路設(shè)計
- 驅(qū)動電路設(shè)計
- 采用分立元件實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器
0 引言
J. Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關(guān)三電平DC-DC變換器[1]，該變換器的開關(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)用場合。因此，三電平變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長足發(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變換器在降低開關(guān)應(yīng)力的同時，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動態(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源器件體積”的學(xué)術(shù)思想。
文獻[2]詳細分析了隔離與非隔離的三電平變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)。而本文是對PWM三電平變換器的控制電路進行分析和設(shè)計。文中采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。該方法控制電路簡單，易于實現(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 三電平兩種開關(guān)單元
文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程：用兩只開關(guān)管串聯(lián)代替一只開關(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(它被均分為兩個相等的電壓源)確保兩只開關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開關(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。文中提取出兩個三電平開關(guān)單元如下圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陽極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陰極單元。
(a)三電平陽極單元 (b)三電平陰極單元
圖1 兩種三電平開關(guān)單元
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1.2 Buck三電平變換器
為了確保兩只開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平變換器一般由上述兩種開關(guān)單元共同組成。文獻[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撲。圖2為Buck三電平變換器主電路拓撲及其4個工作模態(tài)。
模態(tài)1：如圖2(a)所示。在t=0時刻，觸發(fā)開關(guān)管S2，使S2導(dǎo)通，二極管D2則反偏截止，電壓源Vin通過隔直電容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t=t3時刻，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 采用分立元件實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器
2.1 交錯控制電路
一般采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制。其主要的控制電路框圖如下圖所示。
(a) 交錯控制電路框圖
(b) 控制電路的主要波形
圖3 交錯控制電路框圖和電路的主要波形
如圖3所示，時鐘信號C1和C2相差180度，它們分別對應(yīng)的鋸 VRAMP1 和 VRAMP2 也相差180度，電壓誤差放大器的輸出信號 VEA、Vo 分別與 VRAMP1 和 VRAMP2 相比較，再通過兩個RS觸發(fā)器得到相差180度的驅(qū)動信號 G1 和 G2 。
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2.2 驅(qū)動電路
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加以功率放大。本文采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動的方法來設(shè)計驅(qū)動電路。
MC34152的外圍電路簡單，應(yīng)用方便。它是8管腳的同相推挽驅(qū)動芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝如圖4所示。2，4腳為兩路控制信號輸入，經(jīng)過芯片內(nèi)部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅(qū)動信號(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)一個濾去高頻干擾的瓷片電容和一個濾去低頻干擾的電解電容。
當電路的功率較大及工作頻率較高時，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實現(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)計的驅(qū)動電路簡單可行，驅(qū)動波形比較理想：有快速的上升沿，并在一開始有一定的過沖，可以加速開通，減小了開通損耗；同時，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動，減小了下降時間。
2.3 采用分立元件實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器
采用分立元件實現(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 實驗結(jié)果和分析
為了驗證上述所分析的控制和驅(qū)動電路設(shè)計的可行性，本文對輸入電壓為120V(90V~180V)，輸出為48V/4A，開關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，采用上述分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實可行的。
圖6所示的即為采用分立元件來實現(xiàn)的PWM Buck三電平變換器的實驗波形。
(a)ch1-G1；ch2-G2
(b)ch1-Q1；ch2-Q2
(c)ch3-iL；ch2-Vds2；ch4-Vab
(d)ch3-Vin；ch2-Vout
圖6 實驗波形
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從圖6中可以看出，采用上述分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實可行的。
(a)圖中，示意的是交錯控制電路的兩路輸出波形 G1 和 G2。可以看出其占空比均大于0.5。開關(guān)頻率為50kHz 。要實現(xiàn)對驅(qū)動信號頻率的調(diào)節(jié)也變得非常簡單，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)動波形，可以直接驅(qū)動開關(guān)管。從圖中可以看出驅(qū)動波形比較理想：有快速的上升沿，并在一開始有一定的過沖，可以加速開通，減小了開通損耗；同時，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動，減小了下降時間；很好地驗證了驅(qū)動電路的設(shè)計是合理的。
(c)圖中，輸入電壓 Vin 為170VDC，恒流電子負載 Iout 為4A。Vds2 為開關(guān)管 Q2 工作時的漏源極電壓波形，開通與關(guān)斷時均沒有大的尖峰，對開關(guān)管而言是比較理想的波形。Vab 為兩個開關(guān)管共同工作所輸出的三電平波形，可見其頻率為開關(guān)頻率的兩倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻[4,5]詳細分析了一類零電壓零電流開關(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，改善變換器的動態(tài)性能；同時其輸入電流脈動很小，可以減小輸入濾波器。文獻[2]詳細論述了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)計的分析和比較。iL 為輸出濾波電感上流過的電流波形。
(d)圖中，恒流電子負載 Iout 為4A。圖中示意了輸入電壓 Vin 從125伏跳變到110伏時，輸出電壓 Vout 的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。可以看出該PWM 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
本文首先簡要論述三電平變換器拓撲的推導(dǎo)過程；介紹了Buck三電平變換器主電路拓撲及其在開關(guān)管的占空比大于0.5時的四個工作模態(tài)；詳細分析了采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制。該方法控制電路簡單，易于實現(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。并對采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動的方法來設(shè)計驅(qū)動電路作了介紹。最后對輸入電壓為120V(90V~180V)，輸出為48V/4A，開關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明，采用上述分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是切實可行的。
