张先进 龚春英

（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016）

1 引言

随着新能源的发展，微型直流电网分布式供电系统必将得到应用[1-7]。在微型直流电网中通常采用两根直流输电线，只存在一个直流电压。在微型直流电网中应用中，会有各种形式的负载通过相应的功率变换器接入微型直流电网。对于半桥结构或三电平结构等变换器要求输入中点电压平衡，否则无法达到预期性能[8-11]。为了满足微型直流电网中各种变换器对输入电压的要求，客观上需要在微型直流电网中构造一个中线。因此，直接在微型直流电网进入用户端处通过独立的电压平衡器[6,7]构造一根中线，以三根线进入用户端，不但满足微型直流电网的可靠性、灵活性，而且即使某个电压平衡器出现故障也不影响微型直流电网中其他电压平衡器工作。

为了降低功率器件电压应力，三电平以及多电平功率变换器得到了广泛的研究[12-14]。本文结合电压平衡器和三电平功率变换器特点，研究三电平半桥电压平衡器。为了实现功率开关管工作在三电平状态，同时提出了一种功率开关管提前开通、滞后关断的控制策略，并对该控制策略进行详细地分析。最后在原理样机上进行了实验验证。实验结果表明三电平衡半桥电压平衡器能够很好实现三电平工作状态和输出电压平衡的目的。

2 三电平半桥电压平衡器电路拓扑和原理分析

在两电平半桥电压平衡变换器基础之上，引入三电平结构，提出了如图1所示三电平半桥电压平衡器。基本控制原理为：当电容 C1上负载 R1大于电容C2上负载R2时，利用电感L向负载R2提供一部分电能，保证两个电容电压相等；反之，利用电感L向负载R1提供一部分电能，保证两个电容电压相等。因此，构造一个中线LN，形成了两个相电压、 UC2，并且 UC1= UC2。

图1 三电平半桥电压平衡变换器Fig.1 Three-level half bridge voltage balancer

为了实现三电平半桥电压平衡器工作在三电平状态，本文提出了S1、S3互补工作，S2、S4互补工作，并且S2比S1提前开通、滞后关断，S3比S4提前开通、滞后关断的控制策略。

下面具体分析基于该控制策略三电平半桥电压平衡器工作原理。

根据电感 L电流 iL在开关周期内的大小和方向，该平衡器有 4种状态。状态 1：iL恒大于零；状态2：iL有正有负，平均值大于零；状态3：iL恒小于零；状态4：iL有正有负，平均值小于零。

为了简化分析，假设所有器件均为理想器件，电容C1、C2无穷大即1CU =2CU =Uin/2。

2.1 状态1[电流iL恒大于零]

主要波形和等效电路如图2、图3所示。

模态 1 [0～t1]（S1、S2导通，S3、S4分断，见图3a）。此时段加在电感L上电压UL=Uin-2CU =1CU ，iL上升

直到t1时刻S1关断，iL达到最大值Imax。

由于 S1、S2上电压1SU 、2SU 为零，所以 S3、S4上电压3SU 、4SU 之和为Uin即各等于Uin/2（见模态 9）。

模态 2 [t1～t2]（死区 td，S2导通，S1、S3、S4分断，见图3b）。在t1时刻，分断S1，S1、S3和S4结电容迅速充放电，直到S1上电压等于1CU ，S3、S4上电压之和等于2CU 时，iL切换到VD5、S2进行续流，并且iL维持不变，直到t2时刻开通S3。

VD5、S2导通后，由于1SU 等于1CU ，所以3SU 、之和等于 UC2。因此，S1上电压 US1为Uin/2，S3、S4上电压 US3、 US4分别为Uin/4。

图2 状态1主要波形图Fig.2 Main waveforms of state 1

图3 状态1等效电路图Fig.3 Equivalent circuits of state 1

模态 3 [t2～t3]（S2、S3导通，S1、S4分断，见图 3c）。在 t2时刻，开通 S3。iL继续通过 VD5、S2续流，并维持不变，直到t3时刻关断S2。由于S2、S3导通，所以S1、S4上电压1SU 、4SU 分别等于、 UC2，即Uin/2。

模态 4 [t3～t4]（死区 td，S3导通，S1、S2、S4断开，见图 3d）。在 t3时刻，分断 S2，S2、S4结电容迅速充放电，直到S4上电压等于零，S1、S2上电压之和等于Uin时，iL切换到VD3、VD4续流。此后，直到t4时刻开通S4。由于VD3、VD4导通，电感L上电压为UL=2CU ，iL开始下降。

由于VD3、VD4导通，所以S1、S2上电压之和等于入 Uin。由于在模态 3中，S1上电压1SU 等于Uin/2，所以S2上电压2SU 也等于Uin/2。

模态 5 [t4～t5]（S3、S4导通，S1、S2断开，见图 3e）。在 t4时刻，开通 S4。iL继续通过 VD3、VD4续流，直到t5时刻分断S4。由于VD3、VD4继续导通，电感L上电压为UL=2CU ，所以iL持续下降。开关管上电压与模态4相同。

模态 6 [t5～t6]（死区 td，S3导通，S1、S2、S4断开，见图 3d）。在 t5时刻，关断 S4。iL仍继续通过 VD3、VD4续流。直到 t6时刻开通 S2，iL下降到最小值Imin。开关管上电压与模态5相同。

模态 7 [t6～t7]（S2、S3导通，S1、S4断开，见图 3f）。在 t6时刻，开通 S2，iL从 VD3、VD4切换到 VD5、S2续流，直到 t7时刻关断 S3。由于 UL为零，所以电流iL等于Imin。由于S2、S3、VD5导通，所以S1、S4上电压1SU 、4SU 分别等于1CU 、2CU 即Uin/2。

模态 8 [t7～t8]（死区 td，S2导通，S1、S3、S4断开，见图 3b）。在 t7时刻，分断 S3。iL继续通过VD5、S2续流，直到t8时刻开通S1。由于S1上电压等于1CU 。在模态7中，S4上电压4SU =Uin/2，考虑到开关管结电容作用所以，所以S3上电压3SU =0，S4上电压仍然等于Uin/2。

模态 9 [t8～t9]（死区 td，S1、S2导通，S3、S4断开，见图3a）。在t8时刻，开通S1。S1、S3结电容迅速充放电，直到1SU =0时，iL切换到S1，进入模态1状态。该过程一直持续到t9时刻分断S1。

由于S1、S2同时导通，所以S3、S4上电压3SU 、之和等于Uin。由于在模态8中，S4上电压 US4等于Uin/2，所以S3上电压 US3=Uin/2。

2.2 状态3（电流iL恒小于零）

主要波形和等效电路如图4和图5所示，分析过程同上，在此忽略。但是需要说明的是在 t1～t2（死区时间 td，S3导通，S1、S2、S4断开，见图 4b）时，S4上电压4SU 等于4CU ，所以 S1、S2上电压之和等于1CU 。在稳态时，由于1CU =2CU =Uin/2，所以S4上电压4SU =Uin/2，S1、S2上电压1SU 、2SU 均为Uin/4。

2.3 状态2（电流iL有正有负，平均值大于零）

iL在整个开关周期内有正有负，但是其平均值大于零，主要波形如图6a所示。iL进入正值后，在续流阶段3SU 、4SU 波形（见图6a中t1～t3时间段）和图2中3SU 、4SU 波形相同；iL进入负值后，在续流阶段1SU 、2SU 波形（见图6a中t6～t8时间段）和图4中的1SU 、2SU 波形相同。

图4 状态3主要波形图Fig.4 Main waveforms of state 3

图5 状态3等效电路图Fig.5 Equivalent circuits of state 3

2.4 状态4（电流iL有正有负，平均值小于零）

iL在整个开关周期内有正有负，但是其平均值小于零，主要波形如图6b所示。

图6 状态2和状态4主要波形图Fig.6 Main waveforms of state 2 and 4

iL进入正值后，在续流阶段3SU 、4SU 波形（图6b中t1～t3时间段）和图2中3SU 、4SU 波形相同；反之，iL进入负后，在续流阶段1SU 、2SU 波形（图6b中t6～t8时间段）和图4中的1SU 、2SU 波形相同。

3 实验结果

实验条件：开关频率为25kHz，电感L为230μH，电容 C1、C2均为 470μF。

3.1 状态1（电感电流恒大于零）实验结果

图7a给出状态1实验结果。实验条件：1CU =174.8V，2CU =175.0V，1Ri=1.25A，2Ri=6.7A。

从图7a中可以看出：负载R1小于负载R2，通过电感L向负载R2提供一部分电能。由于两者相差较大，所以电感电流始终为正。开关S3、S4上电压波形出现凹凸现象，而开关S1、S2上电压波形却没有。实验结果和图2、图3分析是一致的。

3.2 状态3（电感电流恒小于零）实验结果

图7b给出状态3实验结果。实验条件：1CU =180.6V，2CU =180.9V，1Ri=7.18A，2Ri=1.25A。

从图7b中可以看出：负载R1大于负载R2，通过电感L向负载R1提供一部分电能。由于两者相差较大，所以电感电流始终为负。开关S1、S2上电压波形出现凹凸现象，而开关S3、S4上电压波形却没有。实验结果和图4、图5分析是一致。

图7 状态1和状态3主要实验波形图Fig.7 Main experimental waveforms of state 1 and 3

3.3 状态2（电感电流平均值大于零）实验结果

图8a给出了状态2实验结果。实验条件：1CU=179.1V，2CU =179.2V，1Ri=2.5A，2Ri=5.0A。

从图8a中可以看出：当电感L电流为正时，开关 S3、S4上电压波形和电感电流为负时开关 S1和S2上电压波形分别出现凹凸现象，与图6a中的开关S1～S4上电压波形一致。

3.4 状态4（电感电流平均值小于零）实验结果

从图 8b中可以看出：当电感 L电流为正时，开关 S3、S4上电压波形和电感电流为负时开关 S1和 S2上电压波形分别出现凹凸现象，与图 6b中的开关S1～S4上电压波形一致。

图8 状态2和状态4主要实验波形图Fig.8 Main experimental waveforms of state 2 and 4

3.5 实验数据

表1和表2给出不同负载下实验数据。

表1 三电平半桥电压平衡变换器实验数据1Tab.1 The experimental results 1

表2 三电平半桥电压平衡变换器实验数据2Tab.2 The experimental results 2

从表1和表2中可以看出，在不同负载下输出电压1CU =2CU ，满足输出电压平衡。

从以上实验结果可以：看出三电平半桥电压平衡变换器及其控制策略很好的实现预期的目的。

4 结论

本文将多电平技术引入到半桥电压平衡变换器之中，获得了一种新的三电平半桥电压平衡器。同时，还提出一种功率开关管提前开通、滞后关断的控制策略。利用该控制策略不但实现了三电平半桥电压平衡器工作在三电平状态，而且满足输出电压平衡。最后进行原理样机实验。实验结果表明了三电平半桥电压平衡器及其控制策略是可行性的。

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