三电平拓扑--为什么要用三电平拓扑？

硬件笔记本 · 发表于 2024-3-9 08:30:00

近年来，随着光伏逆变器以及储能行业的热度持续高涨，人们对高效太阳能逆变器、PCS等功率变换的需求越来越大，但低成本、高效率的解决方案是所有厂家永恒的追求。为了实现这一目标，不仅逆变器，连DCDC级的拓扑（例如MPPT电路）都必须是低成本和高效的。在传统的DCDC变换电路中，隔离拓扑大家通常选用LLC、移相全桥等实现开关管的软开关降低损耗，提升效率，而非隔离直流变换拓扑大部分都采用传统的两电平Buck或Boost拓扑，或者采用多相交错减小电流纹波，或者采用DCM模式实现部分开关管的软开关提升效率，但是效果终究是有瓶颈的。最近几年，越来越多的光伏产品开始选择使用三电平直流变换拓扑，三电平拓扑是什么？相比于两电平来说到底有哪些优势？在查阅众多资料后，小编尝试分期给大家进行介绍。
两电平和三电平的升压变换器通常用于光伏逆变器。相比于两电平的方案，三电平拓扑的解决方案能够降低半导体器件的电压应力和输出电压纹波，因此可以减小电感器的尺寸。由于三电平拓扑在运行时，开关电压电平是直流母线电压的一半，因此可以使用开关速度更快、成本更低的低压半导体。

1.什么是三电平拓扑？

想要明白三电平拓扑，那还得从大家熟知的两电平拓扑说起，在之前的文章中我们曾经介绍过两电平Boost拓扑的基本工作原理和关键器件参数的分析。在工作过程中，不论是Boost电路的下管还是上管，在开关管闭合时，电压应力都接近于0V，在断开时，电压应力都接近于输出电压Vout，开关管源极和漏极的电压只有两种电压模式，即0V和Vout，这就是为什么把传统的DCDC拓扑称为两电平的原因。
常见的三电平的拓扑有三种，分别是二极管钳位型、飞跨电容型、对称式三电平拓扑。本篇文章以飞跨电容型三电平拓扑（如图1）为例进行分析。所谓飞跨电容，即指跨接在D1、D2中点和T1、T2中点之间的电容CFC。飞跨电容升压拓扑结构通过飞跨电容（CFC）产生第三电压电平，充电至输出电压的一半。

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图1 飞跨电容型三电平拓扑

三电平拓扑结构包括附加的第三电压电平。第三电压电平将升压电感、开关管和二极管两端的电压降低到两电平拓扑的一半。升压电感两端的较小电压具有的优点是，对于同样要求的纹波电流，所需的电感仅为两电平时所需电感的一半。因此减少了整个电感的体积、重量和成本。

2.飞跨电容升压拓扑详细分析

在飞跨电容升压变换器中，换向回路包括电容器。从换向的角度来看，电容器可以被认为是零阻抗。它在换向回路中的主要作用是使两个外部半导体相互抵消。有了这个偏移，三电平飞跨电容升压变换器可以被视为两个独立的升压变换器，其中外部的换向回路包括直流母线电容、外部二极管、飞跨电容器和外部开关。内部换向回路包括飞跨电容器、内部二极管和内部开关。两个换向回路如图2所示。

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图2 换向回路

一般来说，电压电平的数量理论上是无限的，但在实际中使用了三个、四个或五个电平。n电平解决方案中的附加电平可以通过在三电平转换器中添加额外的外部换相环路来实现。每个增加的升压变换器的换向回路将类似于图2上的绿色回路。电压电平的数量可以计算如下：

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a 是换向回路的个数，飞跨电容的电压可以用下式计算：

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b 是给定的换向单元的数量，第一个回路通常指最外层的回路。
在三电平飞跨电容升压变换器的工作中，有四种不同的模式。在正常运行过程中，飞跨电容的电压是输出电压的一半，并且电感电流是连续的。
在第一种模式中，两个开关管（T1、T2）都断开，电流通过两个二极管，工作于续流模式。在这种模式下，飞跨电容的电压不变，电感电流减小，输出电压增大。

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在第二种模式中，外侧开关管（T2）导通，电流对飞跨电容充电，其电压升高。

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在第三种模式中，内侧开关管（T1）导通（T2）断开，电流通过飞跨电容向母线放电，飞跨电压降低，输出电压增加。

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在第四种模式中，两个开关管都导通。飞跨电容的电压将保持不变，电感电流增加。

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在连续导通模式（CCM）下，占空比（D）的计算方法和普通的两电平Boost拓扑一直。可表示为：

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飞跨电容拓扑中的两个半导体开关管T1和T2在相位相差180°下进行控制，但导通时间（占空比）相同。在D＜0.5时，T1 和 T2 永远不会同时导通，即不会工作在模式4。当占空比D＞0.5时，开关管T1和T2不存在同时关断的工作模式1，所以工作的模式取决于占空比的大小。
如果?? ，在这种情况下，不存在模式4，运行如下：
…→模式1→模式2→模式1→模式3→…
如果?? > 0.5，运行将是：
…→模式4→模式2→模式4→模式3→…
如果?? = 0.5：
…→模式2→模式3→模式2→模式3→…
最常用的模式是当??＜0.5

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时间紧张，梳理不易，后续有机会将给大家继续深入介绍三电平拓扑的相关知识。

三电平拓扑--为什么要用三电平拓扑？

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