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摘要：只有对分压电容进行有效的均压控制，才能够使Boost三电平直流变换器能够正常工作。本文分析了Boost三电平直流变换器的工作原理，指出了该变换器的两个分压电容分压不均的原因， 并据此提出了一种均压的控制方法，它通过调整开关管的导通时间确保分压电容均压，最后利用PSIM结合控制算法对该变换器电路进行了仿真。论文最后给出了仿真结果来验证本方法的有效性。
关键词：BOOST直流变换器 三电平 均压 PSIM仿真
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-021-01
1 Boost 三电平直流变换器工作原理分析
三电平Boost变换器的拓扑结构如图1所示，其中C1和C2为两个分压电容，其容值相等。Q1和Q2为主开关管，D1和D2 为续流二极管，L1和L2为升压电感，R为负载。Q1和Q2为交错控制且驱动信号相差180°相角，这样可以最大程度减小输出电压纹波，在分析之前，作如下假设：所有开关管为理想器件，电感、电容为理想元件；C1= C2。
图1 三电平Boost变换器的拓扑电路
在一个开关周期内，该变换器有四个工作模态：
1） Q1和Q2 同时关断，这时，两个续流二极管D1、D2导通，L1、L2释放能量，电流减小，输出电压上升。
2） Q1导通、Q2关断。此时， 两电感能量的变化与初始状态有关， C2充电， C1反向充电， 同时C1给负载供电。
3）Q1关断、Q2导通。此时， C1充电，C2反向充电， 同时C2给负载供电。
4）Q1和Q2同时导通。此时， D1、D2截止， L1、L2由输入电压提供能量， 电流增大，C1、C2给负载供电， 输出电压下降。
2 分压电容不均压的原因
从上述分析可知：在一个开关周期内，当只有一只开关管导通的时候，两只分压电容轮流为负载提供能量。如果两只开关管的占空比完全相等、开关管的特性完全相同，那么两只分压电容在一个开关周期内提供的能量完全相等，其电压是均衡的，均为输入电压的一半。然而在实际电路中，两个开关管的驱动电路以及开关管的开关特性不可能完全相同，两只开关管的占空比必然会有一定的差异，这就会导致两只分压电容在一个周期内所提供的能量不可能完全相等，其电压将一个大于输入电压的一半，而另一个会小于输入电压的一半，从而产生分压电容不均压，开关的电压应力也不相等，容易造成BOOST直流变换器不能正常工作。因此，该变换器的分压控制问题是必须解决的关键问题。
3 实现分压电容均压的方法
为了确保分压电容均压， 使Boost直流变换器正常能够工作，需要对开关管的占空比进行修正。理想情况下，分压电容应维持电压均衡且为输出电压值的一半。所以为了确保分压电容能够均压， 只要保证其中一只分压电容的电压为输出电压的一半就可以了，由于C2和输入电源共地，因此可选择C2为控制对象，使其电压等于输出电压的一半，直接对C2的电压与输出电压进行采样，将C2的电压与输出电压值的一半的差值作为控制量来调节两开关管的占空比d1和d2， 就可以实现期望压差为0。根据前面对变换器的工作原理分析可知， 在Q1导通、Q2关断状态时， C1储存能量， C2释放能量， 其能量变化与Q1导通时间有关， 即与占空比d1相关；在Q1关断、Q2导通状态时， 两电容的能量变化与占空比d2有关。因此， 在一个开关周期结束时， 如果C2的电压大于输出电压的一半， 则表示下一周期内要增大Q2的导通时间， 减小Q1的导通时间， 即增大d2并减小d1； 反之， 如果C2的电压小于输出电压的一半， 表示下一周期内要增大Q2的导通时间， 减小Q1的导通时间，即减小d1并增大d2。通过对占空比的一加一减，使两个分压电容均为输出电压的一半。因此， 将输出电压的一半与C2的电压差，作为调节d1，d2的控制量。另外，还要对占空比d1和d2进行调节来实现变换器输出电压稳定。因此，输出电压的误差信号也要作为一项控制量去调节占空比。当输出电压大于期望值时， 需要减小d1和d2； 当输出電压小于期望值时， 需要增大d1和d2。因此， 将该误差信号直接作为调节d1和d2的另一项控制量。
实际上，可以将C1的电压与输出电压的一半作为控制量，也可以达到分压电容均压的目的。
4 仿真验证
为了验证分压电容均压的可行性，用PSIM对该电路进行了仿真。若无均压控制，两个分压电容上的电压如图2所示：
图2 无均压控制电容电压的变化过程
仿真图表明C2的电压会持续增高，而C1的电压会减小，同时Q2的电压应力会持续增加，可能会损坏开关管，导致变换器不能正常工作。
明显可见，若采用均压控制，当系统达到稳态时，两个分压电容上的电压基本相同，从而达到了均压的效果。
5 结论
对分压电容进行有效的均压控制，可以能够使Boost三电平直流变换器能够正常工作。本文分析了Boost三电平直流变换器的工作原理，指出了该变换器的两个输出电容分压不均的原因， 并据此提出了一种均压的控制方法，它通过调整开关管的导通时间确保分压电容均压， 最后利用PSIM结合该控制算法对该变换器电路进行了仿真。论文最后给出了仿真结果来验证本方法的有效性。
参考文献
[1]张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社.1998.
[2]Ruan Xinbo，Li Bin，Chen Qianhong，Three-level converters-A new approach in high voltage DC-to-DC conversion[C].Poceedings of IEEE PESC.2002：663-668.
[3]阮新波， 危健， 薛雅丽. 非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法[J].中国电机工程学报， 2003， 23（10）：27-31.
[4]柯朝雄， 李云钢， 张 鼎， 王 宁. Boost三电平直流变换器的均压分析与仿真研究[J].通讯电源技术，2008，23（1）：9-12.
关键词：BOOST直流变换器 三电平 均压 PSIM仿真
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-021-01
1 Boost 三电平直流变换器工作原理分析
三电平Boost变换器的拓扑结构如图1所示，其中C1和C2为两个分压电容，其容值相等。Q1和Q2为主开关管，D1和D2 为续流二极管，L1和L2为升压电感，R为负载。Q1和Q2为交错控制且驱动信号相差180°相角，这样可以最大程度减小输出电压纹波，在分析之前，作如下假设：所有开关管为理想器件，电感、电容为理想元件；C1= C2。
图1 三电平Boost变换器的拓扑电路
在一个开关周期内，该变换器有四个工作模态：
1） Q1和Q2 同时关断，这时，两个续流二极管D1、D2导通，L1、L2释放能量，电流减小，输出电压上升。
2） Q1导通、Q2关断。此时， 两电感能量的变化与初始状态有关， C2充电， C1反向充电， 同时C1给负载供电。
3）Q1关断、Q2导通。此时， C1充电，C2反向充电， 同时C2给负载供电。
4）Q1和Q2同时导通。此时， D1、D2截止， L1、L2由输入电压提供能量， 电流增大，C1、C2给负载供电， 输出电压下降。
2 分压电容不均压的原因
从上述分析可知：在一个开关周期内，当只有一只开关管导通的时候，两只分压电容轮流为负载提供能量。如果两只开关管的占空比完全相等、开关管的特性完全相同，那么两只分压电容在一个开关周期内提供的能量完全相等，其电压是均衡的，均为输入电压的一半。然而在实际电路中，两个开关管的驱动电路以及开关管的开关特性不可能完全相同，两只开关管的占空比必然会有一定的差异，这就会导致两只分压电容在一个周期内所提供的能量不可能完全相等，其电压将一个大于输入电压的一半，而另一个会小于输入电压的一半，从而产生分压电容不均压，开关的电压应力也不相等，容易造成BOOST直流变换器不能正常工作。因此，该变换器的分压控制问题是必须解决的关键问题。
3 实现分压电容均压的方法
为了确保分压电容均压， 使Boost直流变换器正常能够工作，需要对开关管的占空比进行修正。理想情况下，分压电容应维持电压均衡且为输出电压值的一半。所以为了确保分压电容能够均压， 只要保证其中一只分压电容的电压为输出电压的一半就可以了，由于C2和输入电源共地，因此可选择C2为控制对象，使其电压等于输出电压的一半，直接对C2的电压与输出电压进行采样，将C2的电压与输出电压值的一半的差值作为控制量来调节两开关管的占空比d1和d2， 就可以实现期望压差为0。根据前面对变换器的工作原理分析可知， 在Q1导通、Q2关断状态时， C1储存能量， C2释放能量， 其能量变化与Q1导通时间有关， 即与占空比d1相关；在Q1关断、Q2导通状态时， 两电容的能量变化与占空比d2有关。因此， 在一个开关周期结束时， 如果C2的电压大于输出电压的一半， 则表示下一周期内要增大Q2的导通时间， 减小Q1的导通时间， 即增大d2并减小d1； 反之， 如果C2的电压小于输出电压的一半， 表示下一周期内要增大Q2的导通时间， 减小Q1的导通时间，即减小d1并增大d2。通过对占空比的一加一减，使两个分压电容均为输出电压的一半。因此， 将输出电压的一半与C2的电压差，作为调节d1，d2的控制量。另外，还要对占空比d1和d2进行调节来实现变换器输出电压稳定。因此，输出电压的误差信号也要作为一项控制量去调节占空比。当输出电压大于期望值时， 需要减小d1和d2； 当输出電压小于期望值时， 需要增大d1和d2。因此， 将该误差信号直接作为调节d1和d2的另一项控制量。
实际上，可以将C1的电压与输出电压的一半作为控制量，也可以达到分压电容均压的目的。
4 仿真验证
为了验证分压电容均压的可行性，用PSIM对该电路进行了仿真。若无均压控制，两个分压电容上的电压如图2所示：
图2 无均压控制电容电压的变化过程
仿真图表明C2的电压会持续增高，而C1的电压会减小，同时Q2的电压应力会持续增加，可能会损坏开关管，导致变换器不能正常工作。
明显可见，若采用均压控制，当系统达到稳态时，两个分压电容上的电压基本相同，从而达到了均压的效果。
5 结论
对分压电容进行有效的均压控制，可以能够使Boost三电平直流变换器能够正常工作。本文分析了Boost三电平直流变换器的工作原理，指出了该变换器的两个输出电容分压不均的原因， 并据此提出了一种均压的控制方法，它通过调整开关管的导通时间确保分压电容均压， 最后利用PSIM结合该控制算法对该变换器电路进行了仿真。论文最后给出了仿真结果来验证本方法的有效性。
参考文献
[1]张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社.1998.
[2]Ruan Xinbo，Li Bin，Chen Qianhong，Three-level converters-A new approach in high voltage DC-to-DC conversion[C].Poceedings of IEEE PESC.2002：663-668.
[3]阮新波， 危健， 薛雅丽. 非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法[J].中国电机工程学报， 2003， 23（10）：27-31.
[4]柯朝雄， 李云钢， 张 鼎， 王 宁. Boost三电平直流变换器的均压分析与仿真研究[J].通讯电源技术，2008，23（1）：9-12.