零电压零电流开关的三电平Buck变换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种零电压零电流开关的三电平Buck变换器及其控制方法，属于电力电子变换器。

背景技术：

光伏并网发电是人们利用光伏发电技术的主要方向，现在已经在城乡得到了广泛的应用。目前，传统的三电平Buck变换器见图2所示，包括开关管Q₁和Q₂，电容一端C₁接开关管Q₁的源极和Q₂漏极之间、另一端接在续流二极管D₁和D₂之间，该电路结构具有结构简单的优点。但要实现较高的降压比时，肢造成开关损耗同时增加，不仅电路效率低，而且较大的占空比会导致开关管的温升。因此，如何减小开关损耗，提高电路效率成为研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种零电压零电流开关的三电平Buck变换器及其控制方法，结构简单，既能通过抽走电容的能量来实现零电压导通，又通过电感的扼流使得开关管实现零电流导通，有效地减小了开关损耗，提高电路效率。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种零电压零电流开关的三电平Buck变换器，其特征在于：包括直流电源V_dc、三电平逆变桥臂和LC滤波电路；所述的三电平逆变桥臂包括开关管Q₁、Q₂、Q₃，电容C₁、C₂、C₃和开关管的体二极管D₁、D₂、D₃，电容C₁、C₂、C₃和体二极管D₁、D₂、D₃并接在各自对应的开关管Q₁、Q₂、Q₃的漏极和源极上，所述的开关管Q₁的漏极接直流电源Vin正极、源极接开关管Q₂的漏极，续流二极管D₄、电感L₁、电容C₅和续流二极管D₅依次串接并接在开关管Q₂的源极和直流电源V_dc负极上，开关管Q₃的漏极跨接在开关管Q₁与开关管Q₂的接点上、源极通过电容C₄接在电感L₁与电容C₅的结点上，所述的LC滤波电路包括滤波电感L₂、电容C₆和电阻R，电容C₆和电阻R并联后一端经滤波电感L₂接续流二极管D₄、另一端接续流二极管D₅。

本发明零电压零电流开关的三电平Buck变换器的控制方法，其特征在于：按时序具有以下四种工作模态，其中，t₀、t₁、t₂、t₃为四个工作模态的起始时刻，t₄为单周期的最终时刻，t为变换器的工作时刻；

⑴、在t₀≤t≤t₁之间的工作模态1：在t₀时刻之前，导通开关管Q₁和Q₂，t₀时刻之后关断开关管Q₂，在此工作模态中，开关管Q₃零电流开通，开关管Q₂零电压关断，变换器的输出电流I_o1和电容C₂、C₅两端电压表示为：

式中的I_o1为变换器在工作模态1期间的输出电流，C₂、C₅分别为电容C₂和C₅的容值，V_in为变换器输入电压；

⑵、在t₁＜t≤t₂之间的工作模态2：在t₁时刻之后，关断开关管Q₃，在此工作模态中，开关管Q₂零电压开通，变换器的输出电流I_o2和电容C₂、C₃两端电压表示为：

式中的I_o2为变换器在工作模态2的输出电流，C₂、C₃分别为电容C₂和C₃的容值，V_in为输入电压；

⑶、在t₂＜t≤t₃之间的工作模态3：在t₂时刻之后关断开关管Q₁，在此工作模态中，开关管Q₃零电压开通，电容C₁、C₃的电压表示为：

式中的I_o3为变换器在工作模态3的输出电流，C₁、C₃分别为电容C₁和C₃的容值，V_in为输入电压；

⑷、在t₃＜t≤t₄之间的工作模态4：在t₃时刻之后关断开关管Q₃，在此工作模态中，开关管Q₁零电压开通，电容C₁、C₃两端的电压表示为：

式中的I_o4为变换器在工作模态4的输出电流，C₃、C₅分别为电容C₃和C₅的容值，V_in为输入电压，

其中，上述的电容C₁、C₂和C₃的容值相同均为C_3L，电容C₄和C₅的容值相同均为C_2L，且C_2L≠C_3L。

本发明的三电平Buck变换器增加了开关管Q₃，将开关管Q₃的漏极跨接在开关管Q₁与开关管Q₂的接点上，开关管Q₃的源极通过电容C₄接在电感L₁与电容C₅之间的结点上，由于电感L₁与续流二极管D₄连接，而电容C₅与续流二极管D₅连接，通过增加开关管的数量以及改变电路结构，使电路内的开关管能通过抽走电容的能量来实现零电压导通，同时开关管通过电感的扼流作用使得开关管实现零电流开关，有效地减小了开关管的损耗，提高了电路的效率。本发明三电平Buck变换器在保持原传统三电平Buck电路减小开关管电压应力和减小电感的优点前提下，电路中的各开关管均能实现软开关，通过合理控制各开关管的导通顺序，减小了开关损耗，提高电路效率。本发明的三电平Buck变换器适用于车载电源、光伏发电等应用场合。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明的零电压零电流开关的三电平Buck变换器的电路原理图。

图2是传统的三电平Buck变换器的电路原理图。

图3a、3b是本发明的三电平Buck电路工作模态1的电路原理图。

图4a、4b是本发明的三电平Buck电路工作模态2的电路原理图。

图5a、5b是本发明的三电平Buck电路工作模态3的电路原理图。

图6a、6b是本发明的三电平Buck电路工作模态4的电路原理图。

图7为本发明的三电平Buck电路各开关管导通及电感电压的示意图。

具体实施方式

见图1、3～6所示，本发明的零电压零电流开关的三电平Buck变换器，包括直流电源V_dc、三电平逆变桥臂和LC滤波电路。本发明的三电平逆变桥臂包括开关管Q₁、Q₂、Q₃，电容C₁、C₂、C₃和开关管的体二极管D₁、D₂、D₃，本发明的开关管Q₁、Q₂、Q₃均为MOSFET管。见图1、3～6所示，本发明开关管Q₁的漏极接直流电源V_dc正极、源极接开关管Q₂的漏极，电容C₁、C₂、C₃和体二极管D₁、D₂、D₃并接在各自对应的开关管Q₁、Q₂、Q₃的漏极和源极上，使开关管Q₁、Q₂、Q₃均能实现软开关，开关管Q₁和Q₂通过抽走寄生电容中的能量来实现零电压导通，开关管Q₃通过电感L₁的扼流作用实现零电流开关。

见图1、3～6所示，本发明续流二极管D₄、电感L₁、电容C₅和续流二极管D₅依次串接并接在开关管Q₂的源极和直流电源V_dc负极上，开关管Q₃的漏极跨接在开关管Q₁与开关管Q₂的接点上、源极通过电容C₄接在电感L₁与电容C₅的结点上，开关管Q₂的源极与续流二极管D₄的阴极连接，续流二极管D₄的阳极接电感L₁，使续流二极管D₄与电感L₁串接；续流二极管D₅的阳极接直流电源V_dc负极、阴极接电容C₅，续流二极管D₅与电容C₅串接，因此开关管Q₃通过电感L₁的扼流实现零电流导通。见图1所示，本发明的LC滤波电路包括滤波电感L₂、电容C₆和电阻R，电阻R作为负载，电容C₆和电阻R并联后一端经滤波电感L₂接续流二极管D₄，另一端接续流二极管D₅，以抑制干扰信号。本发明开关管Q₁、Q₂、Q₃可连接在变压器的原边中，开关管Q₁、Q₂通过抽走寄生电容中的能量来实现零电压开关，而开关管Q₃通过电感L₁的扼流作用实现零电流开关。

本发明零电压零电流开关的三电平Buck变换器的控制方法，按时序具有以下四种工作模态，见图3～图6所示，其中，t₀、t₁、t₂、t₃为四个工作模态的起始时刻，t₄为单周期的最终时刻，t为变换器的工作时刻，本发明的三电平Buck变换器开通时间可为多个周期。

⑴、在t₀≤t≤t₁之间的工作模态1：在t₀时刻之前，导通开关管Q₁、Q₂，电源V_in向负载传递能量。t₀时刻之后关断开关管Q₂，电容C₅对电容C₂充电，由于电感L₁的扼流作用，通过的电流不能突变，开关管Q₃近似于零电流导通，电压V_C2线性增加，电压V_C5线性下降，在电容C₂和电容C₅缓冲作用下，开关管Q₂近似于零电压关断，如图3a、3b所示，在此工作模态中，开关管Q₃零电流导通，开关管Q₂零电压关断，变换器输出电流I_o1和电容C₂、C₅两端电压表示为：

式中的I_o1为变换器为工作模态1期间的输出电流，C₂、C₅分别为电容C₂和C₅的容值，V_in为变换器输入电压。在t₁时，电容C₅两端的电压为输入电压V_in的一半。

⑵、在t₁＜t≤t₂之间的工作模态2：在t₁时刻之后，关断开关管Q₃，电容C₂对电容C₃充电，电压V_C3线性增加，而电压V_C2线性下降，电容C₂、C₃迫使开关管Q₂近似零电压开通，如图4a、4b所示，在此工作模态中，开关管Q₂零电压开通，变换器输出电流I_o2和电容C₂、C₃两端电压表示为：

其中式中，I_o2为变换器在工作模态2的输出电流，C₂、C₃分别为电容C₂和C₃的容值，V_in为输入电压。

⑶、在t₂＜t≤t₃之间的工作模态3：在t₂时刻之后关断开关管Q₁，电容C₃对C₁充电，电压V_C1线性增加，电压V_C3线性下降，开关管Q₃近似零电压开通，如图5a、5b所示，在此工作模态中，开关管Q₃零电压开通，电容C₁、C₃的电压表示为：

式中的I_o3为变换器在工作模态3的输出电流，C₁、C₃分别为电容C₁和C₃的容值，V_in为输入电压。

⑷、在t₃＜t≤t₄之间的工作模态4：在t₃时刻之后关断开关管Q₃，电容C₁对C₅放电，电感L₁对电容C₃充电，电压V_C1线性下降，而电压V_C3、V_C5线性增加，开关管Q₁近似零电压开通，如图6a、6b所示。在此工作模态中，开关管Q₁零电压开通，电容C₁、C₃两端的电压表示为：

式中的I_o4为变换器在工作模态4的输出电流，C₃、C₅分别为电容C₃和C₅的容值，V_in为输入电压。

本发明上述的电容C₁、C₂和C₃的容值相同均为C_3L，电容C₄和C₅的容值相同均为C_2L，即C₁＝C₂＝C₃＝C_3L，而C₄＝C₅＝C_2L，且C_2L≠C_3L，

当软开关所需的能量时，可实现软开关。

从图7可以看出，采用本发明的三电平Buck变换器，通过控制电路开关管导通情况能减小电感和电压。本发明的三电平Buck变换器通过合理的控制开关管的导通顺序，有效地实现了开关管零电压零电流导通，减小了开关损耗，达到了提高电路效率的目的。