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随着科学技术的进步,对于功率器件的集成度和可靠性要求越来越高。对于Buck电路来说,两电平Buck电路的载流能力以及开关管上的耐压能力远不如多电平Buck电路。跟两电平Buck变换器相比,三电平Buck变换器有着很多优势,比如开关管上的电压应力减小一半,滤波电感和电容的尺寸小,有效切换频率加倍,能量密度高。但是,三电平Buck直流变换器的开关管数量是两电平Buck直流变换器的二倍,结构复杂,并且在多个状态下切换运行,变换器的输出电压和飞跨电容电压存在耦合关系,所以不容易对其进行控制。论文主要研究三电平Buck直流变换器的改进型二阶滑模控制方法,实现输出电压和飞跨电容电压的解耦控制,提高变换器输出电压的动态响应,改善系统的稳定性。论文的研究和设计工作总结如下:(1)根据三电平Buck直流变换器的开关状态,将变换器划分为多个工作模式,分析不同工作模式下,变换器的运行机理。研究变换器的输出电压和飞跨电容电压的耦合关系,建立变换器的非线性数学模型,并比较分析现有的控制方法。(2)在电压跟踪过程中,针对三电平Buck直流变换器的各种工作模式,分析输出电压和飞跨电容电压在相平面中的优化运动轨迹,给出模式与模式之间的优化切换条件。(3)设计一种有限状态机结构的二阶滑模控制方法,推导了有限状态机切换条件。通过有限状态机的切换,实现了输出电压和飞跨电容电压的解耦控制,不但能够使变换器的输出电压快速达到参考值,而且能够使飞跨电容电压被快速平衡在输入电压值的一半,通过仿真对所设计的控制方法进行验证。(4)设计与实现三电平Buck直流变换器的硬件实验平台,完成原理图和电路设计,以及控制算法调试。在实验平台上对提出的控制方法进行了验证,完成了变换器启动过程和负载扰动的输出响应测试。最后,通过仿真与实验结果证明了提出的控制方法的有效性,能够对输出电压进行准确快速的调节。控制器不但具有对负载扰动和电路参数不确定的鲁棒性,而且可以在不检测电流的前提下,实现变换器输出电压的快速调节和无超调控制。