三电平Buck直流变换器控制策略研究

摘要

随着能源技术的发展，电力电子变换器在中大功率场合得到越来越广泛的应用。由于可以降低开关管的电压应力，三电平直流变换器逐渐成为电力电子领域的研究热点。与ISOS直流变换器相比，三电平直流变换器的电感电流纹波更小。从变换器拓扑上来说，三电平变换器使用了较少的无源元件，便于系统集成。但是，要实现三电平直流变换器的优点，必须保证飞跨电容电压的稳定。本文主要研究三电平Buck(Buck TL)直流变换器及其控制策略。
　　 本文详细分析了引入交错控制技术的Buck TL直流变换器的基本工作原理和性能特点以及造成飞跨电容电压不稳定的因素。指出单纯依靠输出电压闭环控制不能保证飞跨电容电压的稳定。针对飞跨电容电压稳定的问题，研究了两种飞跨电容电压控制策略，即电压解耦控制和谷值电流控制。
　　 研究结果表明：电压解耦控制和谷值电流控制都能够确保飞跨电容电压的稳定。电压解耦控制通过输出电压闭环确定占空比，然后通过飞跨电容电压闭环微调占空比来保持飞跨电容电压的稳定。由于电感电流中包含飞跨电容电压的信息，可以通过调节电感电流来实现飞跨电容电压的稳定。因此，通过前缘调制的谷值电流控制方法可以实现对电感电流的控制，从而实现对飞跨电容电压的控制。
　　 针对研究的两种控制策略，应用等效受控源电路法和状态空间平均法分别建立各自的小信号模型。以此为依据，设计变换器的补偿网络，完成闭环系统的搭建。仿真结果表明：在低占空比下，电流模式控制比电压模式控制具有更优越的性能。
　　 在理论研究和仿真验证的基础上，对该变换器进行了实验样机的搭建和测试。采取了分步调试的策略，获得了反映变换器工作情况的典型波形。通过对实验获得的波形的分析，验证了本文理论分析的正确性与采取的控制策略的有效性。