文 献 综 述

1 . 三电平Buck变换器提出的背景和意义

随着通讯、计算机行业的日益发展，各种用电设备越来越多，由于这些设备的输

入多采用不可控整流方式，输入谐波电流较大，功率因数较低，不仅影响邻近其它用

电设备的工作，而且也使输电线上损耗增加[1]。为此，国际上的一些学术组织和国家颁

布或实施了一些输入电流谐波限制标准，如IEC555-2、IEEE519、IEC1000-3-2等，

以达到减少电源设备对交流电网的谐波污染。为了减小谐波电流，通常的做法是采用

功率因数校正技术。而其中大功率的高频开关电源一般为三相380VAC#177;20%输入，整流后的直流母线电压最高将会达到640V左右;如果采用三相PFC技术，直流母线电压通常会达到760-800VDC，甚至要达到1000VDC以上。这使得后级直流变换器开关管的电压应力大大增加，给器件的选取带来了困难。

1981年，日本的Akira Nabae 教授在研究如何减小逆变器输出谐波时提出了中点

箝位脉宽调制逆变器(Neutral-Point-Clamped PWM Inverter,NPC PWM 逆变器)[2]，它是在传统的三相桥式逆变器中增加了两个分压电容，在每一桥臂增加了两只开关管和两只中点箱位二极管。该逆变器每个桥臂的输出可以得到/2、、0三个电平，因此该电路也称三电平逆变器(Three-Level Inverter , TL逆变器)。传统的逆变器每个桥臂只能输出 /2和-/2两个电平，故可称为两电平逆变器。与两电平逆变器相比，TL逆变器可以减小输出电压中的高次谐波，同时，该电路还有另一个重要的优点:开关管电压应力为输入电压的一半。

1992年,Pinheiro利用TL逆变器可以减小开关管电压应力这个优点，提出了三

电平零电压开关PWM直流变换器(Three-Level Zero-Voltage -Switching PWM Converter,TL ZVS PWM变换器)[3]，该变换器最大的优点是它的开关管电压应力为输入直流电压的一半,因此非常适用于高输入电压中大功率应用场合。

2 . 三电平Buck变换器的工作原理

图2-1是Buck TL变换器的电路拓扑,其中Cd1和Cd2为两个分压电容,其容量很大且相等,电压均为输入电压Vin的一半。Ql、Q2是两只开关管，D1和D2是续流二极管，Lf滤波电感,Cf是滤波电容，RLd是负载。Q1和Q2必交错工作，其驱动信号相差180O相角，图2-2给出了不同开关模态的等效电路[4]。

图 2-1 Buck TL变换器

当开关管的占空比大于0.5和小于0.5时，变换器工作模式有所不同，下面分别

加以分析，在分析之前，做如下假设:

1)所有开关管、二极管为理想器件，电感、电容为理想元件;

2)Cd1=Cd2且足够大，均分输入电压，可以看成两个电压为K户的电压源;

3)输出电容足够大，等效为电压源Vo。

2.1 Dgt;0.5时

当开关管的占空比大于0.5时，其主要波形如图2-3所示。在一个开关周期内，变换器有四个开关模态[5][6][7]。

1)开关模态1[t0，tl][图2-2(a)]

Ql和Q2同时导通，AB两点间电压为输入电压 ，D1和D2的电压为

滤波电感Lf的电流线性增加。

(2-1)

2)开关模态2[t1，t2][图2-2(b)]

t1时刻关断Ql和Q2继续导通，D1导通。 Q1和D2上电压为。电流线性下降。

(2-2)

t2时刻开通Ql，Q2必继续导通，电路进入开关模态3。开关模态3与开关模态1相同，如图2-2(a)所示。t3时刻关断必Q2,Ql继续导通,电路进入开关模态4，如图2-2(c)所示。电路工作情况同开关模态2类似，此处不再描述。

图 2-2 不懂开关模块的等效电路

图 2-3 Dgt;0.5时的主要波形

由2-3可知：

其中，是开关频率,=1/是开关周期;为开关管的导通时间，为开关管的截止时间。定义D=/Ts为占空比;分别为Dgt;0.5的电感电流脉动值、电感电流最小值和最大值。

2.2 Dlt;0.5

当开关管的占空比小于0.5时，变换器的主要波形如图2-4所示。一个开关周期内包括4个开关模态。

1)开关模态1[t0，t1][图2-2(c)]

Ql导通，D2导通，=0,Q1,Q2均为。

（2-6）

2)开关模态2[t1，t2][图2-2(d)]

tl时刻关断Ql，D1和D2导通。=0，Ql、Q2两端电压均为。

（2-7）

图2-4 Dlt;0.5的主要波形

t2时刻开通Q2，电路进入开关模态3。开关模态3与开关模态1相类似，此时Q2导通，D1导通，如图2-2(b)所示。t3时刻关断Q2，电路进入开关模态4，同开关模态2工作情况相同，如图2-2(d)所示，此处不再描述。由图2-4可知:

（2-8）

（2-9）

(2-10)

其中分别为Dlt;0.5时的电感电流脉动、电感电流最小值和最大值。

参考文献

[1] 丁道宏《电力电子技术》航空工业出版社1995年，第一版，

[2] Akira Nabae, Isao Takahashi, Hirofumi Akagi, "A new neutral-point-clampel pwm inverter",IEEE Trans. on IA, Vol.17,No.5,1981,pp.518-523

[3] J.Renes Pinheiro and Ivo Barbi,"The three-level ZVS PWM Converter - A new concept in high-voltage dc-dc conversion ," IEEE IECON,1992,PP.173-178

[4] 张占松 蔡宣三，《开关电源的原理与设计》电子工业出版社1998年，第一版，

[5].[蔡宣三龚绍文，《高频功率电子学》科学出版社1993年，第一版，

[6].陈坚，电力电子学[M]，北京：高等教育出版社，2004，

[7].金科，阮新波，三电平双向变换器，中国电机工程学报，2006，

[8].王兆安，黄俊，电力电子技术，北京：机械工业出版社，2000，

[9].薛雅丽，《Buck三电平直流变换器的研究》南京航天航空大学硕士论文，2003，