1、摘要：首先闡述了三電平DC/DC變換器拓撲的推導過程，給出了 6種非隔離三電平 DC/DC變換器和5種隔離三電平DC/DC變換器拓撲結構;分析了三電平DC/DC變換器中，如何設計濾波電路的參數以提高其動態品質；最后以Buck三電平變換器和BuckDBoost 三電平變換器為例，分析了滑模控制在三電平DC/DC變換器中的應用前景。關鍵詞：三電平；DC/DC變換器；滑模控制1引言J.Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開關三電平DC/DC變換器1該變換器 的開關應力為輸入直流電壓的1/2,非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應用場合。因此， 三電平DC/DC變換器引起了廣泛關注，得到

2、了長足發展。目前，三電平技術在已有的DC/DC 變換器中，均得到了很好的應用。部分三電平DC/DC變換器在降低開關應力的同時，還大 大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動態特性。三電平技術的應用，充分體現了“采用 有源控制的方式減小無源元件體積”的學術思想。2三電平DC/DC變換器拓撲的推導與發展2.1三電平兩種開關單元文獻2分析了三電平DC/DC變換器的推導過程：用2只開關管串聯代替1只開關 管以降低電壓應力，并引入1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2只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接 法也不同。文中提取出2個三電平開關單元

3、如圖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。2.2 六種非隔離三電平DC/DC變換器三電平DC/DC變換器的推導過程可以總結為以下三個步驟：一是將基本變換器的 開關管替換為相互串聯的2只開關管；二是尋找或構成箝位電壓源；三是從箝位電壓源的 中點引入1只箝位二極管到相互串聯的2只開關管的中點，箝位二極管的放置與2只開關管 與箝位電壓源聯接的地方有關。為了確保2只開關管的電壓應力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩 種開關單元共同組成。文獻2所分析的半橋式三電平DC/DC變換器

4、的推導思路，可以推 廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族三電平DC/DC變換器拓撲，包括Buck，Boost，Buck Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的三電平DC/DC變換器，但是這6種非 隔離的三電平DC/DC變換器的輸入與輸出是不共地的，這個缺點限制了它們的使用范圍。(a)三電平陽極單元(b)三電平陰極單元圖1兩種三電平開關單元文獻10提出將隔直電容引入到輸入輸出不共地的非隔離三電平DC/DC變換器中， 并對變換器結構進行改進，使其輸入與輸出共地。改進后的變換器保留了改進前的變換器的 所有優點，即：開關管的電壓應力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲能元件的參數；續流

5、 二極管的電壓應力為輸入電壓的1/2。圖2所示為6種輸入輸出共地的非隔離三電平DC/DC 變換器。(a)Buck三電平DC/DC變換器(b)Boost三電平DC/DC變換器(c)Buck-Boost三電平DC/DC變換器(d)Cuk三電平DC/DC變換器(e)Sepic三電平DC/DC變換器(f)Zeta三電平DC/DC變換器圖2 非隔離式三電平DC/DC變換器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。(b)Flyback三電平DC/DC變換器+Q Q Q Q(c) Push

6、-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。

7、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4 BuckTL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

8、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，且每個 模態有其獨立的狀態方程，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。當系統受到瞬態或持續擾動時，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

9、電平DC/DC變換器的穩定性，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，動態品質，控制硬件電路的 設計等方面取得了一些成果8, 9。滑模控制本質上是一種變結構控制，它的突出優點是其 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 口 Boost變換器，該方法保證了系 統在大

10、信號和小信號情況下的穩定性。對于三電平DC/DC變換器，由于其特有的多模態工作情況，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 口 Boost三電平DC/DC變換器的實驗原理圖。滑模控 制硬件電路實現簡單，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節，一般采用施密特觸發器來實現。400Hz驅 動信號是用來實現電壓輸入擾動和負載擾動，以驗證滑模控制對這兩個擾動的魯棒特性。1 DELAY | I 圖5 基于滑模控制的Buck三電平DC/DC變換器實驗原理圖RxLII p 25UHz 10If：7.3IkQR /DnY.-XDELAYSdiiiiitto-IV圖6 基于滑模控制的Buck 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，