CN106487226B - IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法 - Google Patents

IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法，其中变换器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管，二极管D1和二极管D2共2个二极管，电感L1、电感L2和电感L3共3个电感，以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容。通过开关管Q1和开关管Q2串联，然后与开关管Q3和电容C3的串联电路并联，再于开关管Q1和开关管Q3的源极之间串联上开关管Q4；不仅具有减小开关管承受电压，减小滤波电感的优点；而且通过合理地控制开关管的导通顺序，可有效地减小开关管所需承受的电压及最大电流，从而适用于高电压大电流的应用场合。

Description

IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种三电平Buck变换器，特别是涉及一种IPOP(Input parallelOutput parallel，输入并联输出并联)三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，人们对于高性能和高可靠性的电子产品的需求越来越强烈。传统的Buck变换器适用作大功率的降压变换器，但是对于超大功率应用场合，需采用承担功率更高的开关管，且容易过热发生事故。传统的三电平Buck变换器则有效地缓解了这个问题，适用于高电压低电流的大功率场合，但是对于大电流的应用场合，也易造成开关管的损坏。
目前，对于电子产品的研发仍按照客户要求定制，开发时间较长，不利于产品可靠性和性能的提高。因此，电力电子系统集成、模块化技术是当今研究热点。
目前，针对高电压高电流的应用场合的解决方法有如下方法：
(1)提高电子元器件的参数要求。这方法通过提高元器件的耐压和最大通过电流值来满足要求，但大大增加了研发成本。
(2)DC-DC变换器串并联组合系统。组合系统采用标准化的变换器模块，有效地减少了研发成本，缩短了开发周期，减小了单个开关管承担的功率，降低了设计难度。如图1所示为传统的三电平Buck变换器，其仍存在电感体积大、不能实现高功率密度的不足。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法，可有效地减小开关管所需承受的功率，满足应用要求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种IPOP三电平Buck变换器，其特征在于：包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管，二极管D1和二极管D2共2个二极管，电感L1、电感L2和电感L3共3个电感，以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容；
所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连，所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的正极和电容C4的一端均与位于输入端的电压源的负极相连，所述电感L1的另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极和开关管Q4的源极相连，所述开关管Q2的源极分别与二极管D1的负极、电感L3的一端相连，所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q3的源极、电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电感L3的另一端、电容C4的另一端相连，所述电容C4的两端用于接入负载。
进一步地：所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。
进一步地：具有4种工作模态，分别为，
模态1：开关管Q2和开关管Q3均开通，开关管Q1和开关管Q4均关断，电容C2经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电容C1经开关管Q3给电感L2和负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态2：开关管Q4导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3均关断，电感L2和电感L3给负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4向电容C2放电的飞跨电容；
模态3：开关管Q3导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4均关断，电容C1给电感L2和负载输出能量，电感L3给负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态4：开关管Q2和开关管Q4均导通，开关管Q1和开关管Q3均关断，电压源经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电感L2通过二极管D2对负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4、二极管D2对电容C2放电的飞跨电容。
进一步地：当占空比d大于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态1、模态4、模态3、模态4；当占空比d小于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态4、模态2、模态4、模态3。
本发明还提供一种级联系统，包括N个前述的IPOP三电平Buck变换器，以及位于输入端的电压源和位于输出端的负载；所述N个IPOP三电平Buck变换器的首尾顺次相连，并保持每个IPOP三电平Buck变换器的首端均与电压源相连、尾端均与负载相连；其中，N为大于等于2的自然数。
本发明还提供一种级联系统的控制方法，包括以下步骤：
1)构建前述的级联系统，在N个并联的IPOP三电平Buck变换器中指定一个IPOP三电平Buck变换器为主模块，剩余的N-1个并联的IPOP三电平Buck变换器均指定为从模块；
2)主模块的电流基准信号由位于输入端的电压运算放大器的基准电压Vref和反馈输出电压Vo做差得到，将主模块的电流基准信号经放大后与主模块的反馈电流比较，从而产生电压控制信号；
3)从模块的电压运算放大器以跟随器的方式接入，主模块的电压误差信号输入到各从模块的电压运算放大器的输入端，使得从模块的输出电流与主模块的误差电压成正比，从而实现无论负载如何变化，主模块和各从模块的输出电流均相等。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的IPOP三电平Buck变换器，通过开关管Q1和开关管Q2串联，然后与开关管Q3和电容C3的串联电路并联，再于开关管Q1和开关管Q3的源极之间串联上开关管Q4；不仅具有减小开关管承受电压，减小滤波电感的优点；而且通过合理地控制开关管的导通顺序，可有效地减小开关管所需承受的电压及最大电流，从而适用于高电压大电流的应用场合。
2、本发明提供的级联系统，可实现变换器的模块化，适用于标准化模块、标准化通讯等应用场合。
3、本发明提供的级联系统的控制方法，采用指定主从法，基于交错控制，使得输出电压、电流的纹波大大减小，有利于进一步提高变换器的性能和可靠度。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为传统的三电平Buck变换器的电路示意图；
图2为本发明的IPOP三电平Buck变换器的电路示意图；
图3为本发明的IPOP三电平Buck变换器的工作模态示意图；
图3(a)为本发明的IPOP三电平Buck变换器工作于模态1的示意图；
图3(b)为本发明的IPOP三电平Buck变换器工作于模态2的示意图；
图3(c)为本发明的IPOP三电平Buck变换器工作于模态3的示意图；
图3(d)为本发明的IPOP三电平Buck变换器工作于模态4的示意图；
图4为本发明的级联系统的电路示意图；
图5为本发明的级联系统的控制框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种IPOP三电平Buck变换器，如图2所示，包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管，二极管D1和二极管D2共2个二极管，电感L1、电感L2和电感L3共3个电感，以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容；其中电容C3为飞跨电容，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。
所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源Vin的正极相连，所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连，所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的正极和电容C4的一端均与位于输入端的电压源Vin的负极相连，所述电感L1的另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极和开关管Q4的源极相连，所述开关管Q2的源极分别与二极管D1的负极、电感L3的一端相连，所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q3的源极、电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电感L3的另一端、电容C4的另一端相连，所述电容C4的两端用于接入负载R1。
如图3所示，本发明提供的IPOP三电平Buck变换器，具有4种工作模态，分别为，
模态1：如图3(a)所示，开关管Q2和开关管Q3均开通，开关管Q1和开关管Q4均关断，电容C2经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电容C1经开关管Q3给电感L2和负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态2：如图3(b)所示，开关管Q4导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3均关断，电感L2和电感L3给负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4向电容C2放电的飞跨电容；
模态3：如图3(c)所示，开关管Q3导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4均关断，电容C1给电感L2和负载输出能量，电感L3给负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态4：如图3(d)所示，开关管Q2和开关管Q4均导通，开关管Q1和开关管Q3均关断，电压源经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电感L2通过二极管D2对负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4、二极管D2对电容C2放电的飞跨电容。
当占空比d大于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态1、模态4、模态3、模态4；当占空比d小于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态4、模态2、模态4、模态3。
在这两种占空比不同的工作状态下，该IPOP三电平Buck变换器的增益为：
其中，Vo为输出端的输出电压，Vin为输入端的输入电压。
电容C1～C3电压均为0.5Vin，依据能量守恒定律可得：
Vo(IL2+IL3)＝VinIin
其中，IL2、IL3、Iin分别为流过电感L2、电感L3的电流和输入的平均电流。
由于飞跨电容C3的存在，根据安秒平衡原理可得IL2＝IL3，从而可以得出：
其中，Io为输出电流，d为占空比。
通过上式的计算，可得出本发明的IPOP三电平Buck变换器可有效地提高输出电流，更适合用于高电压大电流的应用场合。
本发明的IPOP三电平Buck变换器可采用的控制方法为：对于变换器的多模态工作，很适合采用滑模控制来实现和改善变换器输出电压的动态品质。
以闭环的输出电压的偏差x1及其微分x2和积分x3为状态变量，则有：
x1＝Vref-Vo,x3＝∫(Vref-Vo)dt
其中，Vref为输出参考电压，Vo为输出端的输出电压。
设滑模控制切换函数为：
s(x)＝k1x1+k2x2+k3x3
其中，k1、k2、k3分别为状态变量的3个假定系数且均大于0。
则，滑模控制其等效控制为：
其中，Lfs为切换函数s(x)对矢量场f(x)的导数，Lgs为切换函数s(x)对矢量场g(x)的导数；f(x)和g(x)为定义在整个矢量场R上的平滑矢量场。把滑模变结构的等效控制等价为脉宽占空比d，从而实现对IPOP三电平Buck变换器的定频控制，即d＝ueq。
本发明还提供一种级联系统，如图4所示，包括N个如图2所示的IPOP三电平Buck变换器，以及位于输入端的电压源和位于输出端的负载；所述N个IPOP三电平Buck变换器的首尾顺次相连，并保持每个IPOP三电平Buck变换器的首端均与电压源相连、尾端均与负载相连；其中，N为大于等于2的自然数。该级联系统采用级联方法，可实现变换器的模块化。
本发明还提供一种级联系统的控制方法，如图5所示，包括以下步骤：
1)构建如图4所示的级联系统，在N个并联的IPOP三电平Buck变换器中指定一个IPOP三电平Buck变换器为主模块，剩余的N-1个并联的IPOP三电平Buck变换器均指定为从模块；
2)主模块的电流基准信号由位于输入端的电压运算放大器的基准电压Vref和反馈输出电压Vo做差得到，将主模块的电流基准信号经放大后与主模块的反馈电流比较，从而产生电压控制信号；
3)从模块的电压运算放大器以跟随器的方式接入，主模块的电压误差信号输入到各从模块的电压运算放大器的输入端，使得从模块的输出电流与主模块的误差电压成正比，从而实现无论负载如何变化，主模块和各从模块的输出电流均相等。
本发明的创新点在于，通过合理地控制IPOP三电平Buck变换器中开关管的导通顺序，可有效地减小开关管所需承受的电压及最大电流，从而适用于高电压大电流的应用场合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种IPOP三电平Buck变换器，其特征在于：包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管，二极管D1和二极管D2共2个二极管，电感L1、电感L2和电感L3共3个电感，以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容；
所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连，所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连，所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的正极和电容C4的一端均与位于输入端的电压源的负极相连，所述电感L1的另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极和开关管Q4的源极相连，所述开关管Q2的源极分别与二极管D1的负极、电感L3的一端相连，所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q3的源极、电容C3的一端相连，所述电容C3的另一端分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电感L3的另一端、电容C4的另一端相连，所述电容C4的两端用于接入负载；
具有4种工作模态，分别为，
模态1：开关管Q2和开关管Q3均开通，开关管Q1和开关管Q4均关断，电容C2经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电容C1经开关管Q3给电感L2和负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态2：开关管Q4导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3均关断，电感L2和电感L3给负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4向电容C2放电的飞跨电容；
模态3：开关管Q3导通，开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4均关断，电容C1给电感L2和负载输出能量，电感L3给负载输出能量，电容C3为处于充电状态的飞跨电容；
模态4：开关管Q2和开关管Q4均导通，开关管Q1和开关管Q3均关断，电压源经开关管Q2给电感L3和负载输出能量，电感L2通过二极管D2对负载输出能量，电容C3为通过开关管Q4、二极管D2对电容C2放电的飞跨电容；
当占空比d大于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态1、模态4、模态3、模态4；当占空比d小于0.5时，该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态4、模态2、模态4、模态3。
2.根据权利要求1所述的IPOP三电平Buck变换器，其特征在于：所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。
3.一种级联系统，其特征在于：包括N个权利要求1至2任意一项所述的IPOP三电平Buck变换器，以及位于输入端的电压源和位于输出端的负载；
所述N个IPOP三电平Buck变换器的首尾顺次相连，并保持每个IPOP三电平Buck变换器的首端均与电压源相连、尾端均与负载相连；其中，N为大于等于2的自然数。
4.一种级联系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建权利要求3所述的级联系统，在N个并联的IPOP三电平Buck变换器中指定一个IPOP三电平Buck变换器为主模块，剩余的N-1个并联的IPOP三电平Buck变换器均指定为从模块；
2)主模块的电流基准信号由位于输入端的电压运算放大器的基准电压Vref和反馈输出电压Vo做差得到，将主模块的电流基准信号经放大后与主模块的反馈电流比较，从而产生电压控制信号；
3)从模块的电压运算放大器以跟随器的方式接入，主模块的电压误差信号输入到各从模块的电压运算放大器的输入端，使得从模块的输出电流与主模块的误差电压成正比，从而实现无论负载如何变化，主模块和各从模块的输出电流均相等。
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