電源設計指南：拓撲結構（三）

2.3五種隔離三電平DC/DC變換器

同理，可以推導出Forward，Flyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的三電平DC/DC變換器[2]，如圖3所示。

(a)Forward三電平DC/DC變換器

(b)Flyback三電平DC/DC變換器

(c)Push-Pull三電平DC/DC變換器

(d)半橋三電平DC/DC變換器

(e)全橋三電平DC/DC變換器

圖3隔離式三電平DC/DC變換器

3三電平DC/DC變換器中濾波元件參數的選擇

上述6種非隔離的三電平DC/DC變換器和全橋三電平DC/DC變換器均可以得到三電平輸出波形，從而大大減小了濾波元件的參數。文獻[3,4]詳細分析了一類零電壓零電流開關復合式全橋三電平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。

下面以Buck三電平DC/DC變換器和傳統的Buck變換器中濾波器的參數設計為例進行比較。圖4表明Buck三電平DC/DC變換器的電感電流最大脈動量僅為Buck變換器的1/4。如果兩者電感電流脈動的最大值相同，那么Buck三電平DC/DC變換器的濾波電感量可減小為Buck變換器的濾波電感量的1/4。

圖4BuckTL變換器的電感量為Buck變換器電感的1/4

在設計一個電源時，其輸出紋波大小都有明確的限制，據此，可以計算出輸出濾波電容的大小。經過分析，如果電感電流脈動相同，Buck三電平DC/DC變換器的輸出濾波電容放電頻率較Buck變換器提高了1倍，因此其濾波電容是可以減小為Buck變換器濾波電容量的1/2。考慮到電容寄生參數的影響，濾波電容的值要適當放大，并采用多個較小容量電容并聯的方式以減小等效串聯電阻（ESR）。

4滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應用研究

在實際應用中，因為三電平DC/DC變換器開關數目比較多，控制相對比較復雜，對它的控制方法的研究還處于起步階段。三電平DC/DC變換器工作時有多個模態(tài)，且每個模態(tài)有其獨立的狀態(tài)方程，要對三電平DC/DC變換器進行系統的解析分析比較困難。目前，三電平DC/DC變換器中一般采用脈寬調制(PWM)和交錯控制相結合的方法。但是PWM控制有其固有的缺陷，即它的控制性能依賴于系統參數。當系統受到瞬態(tài)或持續(xù)擾動時，系統的參數也會改變，甚至會出現參數不匹配的情況，這樣控制性能將大大降低。

為了提高和改善三電平DC/DC變換器的穩(wěn)定性，抗負載擾動及參數攝動，快速性等，現代控制理論如自適應控制，非線性反饋線性化控制，滑模變結構控制，最優(yōu)控制，以及模糊控制，神經網絡等智能控制在三電平DC/DC變換器中的應用研究也將逐步開展。但目前還尚未有文獻論述。

其中，滑模變結構控制在電力電子系統中改善魯棒性，動態(tài)品質，控制硬件電路的設計等方面取得了一些成果[8，9]?；？刂票举|上是一種變結構控制，它的突出優(yōu)點是其控制性能不依賴于系統參數。文獻[8]詳細介紹了DC/DC變換器的滑模變結構控制，論述了如何以等效控制作為分析手段來分析Buck,Boost,Buck?Boost變換器，該方法保證了系統在大信號和小信號情況下的穩(wěn)定性。

對于三電平DC/DC變換器，由于其特有的多模態(tài)工作情況，很適合于采用滑模變結構控制來實現和改善變換器的動態(tài)性能和魯棒性。圖5給出了Buck三電平DC/DC變換器的實驗原理圖，圖6給出了Buck?Boost三電平DC/DC變換器的實驗原理圖?；？刂朴布娐穼崿F簡單，理論上有無限高的開關頻率，但是受實際開關器件的頻率限制，要求在滑模控制的控制信號輸出端加一個延遲環(huán)節(jié)，一般采用施密特觸發(fā)器來實現。400Hz驅動信號是用來實現電壓輸入擾動和負載擾動，以驗證滑?？刂茖@兩個擾動的魯棒特性。

圖5基于滑?？刂频腂uck三電平DC/DC變換器實驗原理圖

圖6基于滑?？刂频腂uck?Boost三電平DC/DC變換器實驗原理圖

但是,由于三電平DC/DC變換器的開關數目比較多，不再是簡單的{0,1}標量控制，這給滑模面的選擇和控制律的選取造成了一定的困難。關于這方面的研究，作者將在另文中作進一步的探索。

5結語

本文從三電平DC/DC變換器拓撲的推導過程，三電平DC/DC變換器中濾波元件參數的設計，以及三電平DC/DC變換器中控制方法的研究等幾個方面詳細論述了近年來三電平DC/DC變換器研究的現狀。