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一种Buck三电平DC-DC变换器闭环参数的设计

邵丽华;张春龙

【摘要】分析了一种Buck三电平DC-DC变换器的工作原理,并建立其工作于电

感电流连续情况下的数学模型.飞跨电容电压稳定在输入电压的一半是BuckTL变

换器能够正常工作的一个重要前提,故需要飞跨电容电压和输出电压两个控制环.文

章采用一种解耦控制方案,使原来相互耦合的两个控制环相互独立;再利用Bode图

在频域对系统的控制电路各个环节进行设计;最后通过Saber软件仿真验证了控制

参数设计的正确性.

【期刊名称】《南通职业大学学报》

【年(卷),期】2016(030)004

【总页数】6页(P77-82)

【关键词】TL变换器;解耦控制;飞跨电容

【作者】邵丽华;张春龙

【作者单位】南通职业大学电子信息工程学院,江苏南通226007;南通职业大学

电子信息工程学院,江苏南通226007

【正文语种】中文

【中图分类】TM464

近年来，为降低电路系统工作于大功率场合开关器件的电压应力，人们提出了各种

多电平变换器电路拓扑[1-2]。文献[3]对四电平DC-DC变换器工作情况和控制方

案进行研究，将电压和电流的基波和各次谐波作为控制量，对这个多输入多输出系

统应用现代控制理论进行控制，但控制方案复杂；文献[4]提出了解耦控制策略，

即将两个耦合电压环分开，成为两个独立的单输入单输出系统，使控制电路设计大

为简化。不过，这些文献只提出了设计方案，而对于控制电路具体的参数设计则未

涉及。

本文应用数学建模和经典控制理论，采用解耦控制策略[5]，以BuckTLDC-DC变

换器为例，进行了Buck三电平DC-DC变换器闭环参数的设计并给出了仿真验证。

图1所示的BuckTL变换器中，当两只开关管占空比相等，相位相差180°导通时，

飞跨电容电压VC1稳定于Vin/2。当占空比d＞0．5或d＜0．5时，变换器的工

作方式不同。

当占空比d＜0．5时，变换器中最多只有一个开关管导通。（1）Q1导通时，

vAB=VC1=Vin/2；Q2导通时，vAB=Vin－VC1=Vin/2。（2）Q1、Q2都关断

时，vAB=0。当d＞0．5时，变换器有两种开关模态：①Q1、Q2同时导通时

vAB=Vin；②只有一个开关管Q1（Q2）导通时，vAB=Vin/2。

在BuckTL变换器中，输出滤波器两端电压的脉动幅值为Vin/2，脉动频率为2

倍开关频率，其具有以下优点：①开关管和续流二极管的电压应力均为输入电压的

1/2；②在输入输出条件相同时，与Buck变换器相比，BuckTL变换器滤波电感

减小到1/4，滤波电容减小到1/2；③滤波器的减少，使得变换器的体积和重量减

少，动态性能提高。

本文采用最简单的等效受控源法建模，其基本思路是将开关管用受控电流源代替，

将二极管用受控电压源代替，而受控电流源的电流是每个流过开关管的平均电流，

受控电压源的电压是每个周期二极管两端的平均电压。

为简化分析，假设系统工作于连续导电模式（CCM）。图2中，d1、d2分别是

开关管Q1、Q2的占空比，RLf是滤波电感的电阻，RCf是滤波电容的ESR，负

载电阻为R。

根据图2可方便地求出每个周期飞跨电容电压平均值的s域表达式（1）和滤波器

两端电压平均值的s域表达式（2）。无论d＜0．5或d＞0．5，得到的数学模型

均一致，系统工作于DCM下也如此。

BuckTL变换器最后将工作在稳定状态，因此可以假设系统中的每个瞬时值x是由

稳态值X和扰动值两个分量组成，即x=X+。将式（1）、（2）改写成以下形式：

等式两边减去稳态分量并忽略二阶小信号扰动量，可得：

在理想情况下：

将式（7）代入式（5）、（6），得到：由图2可推出：若定义：

则当BuckTL工作在CCM时的表达式为：

3.1BuckTL变换器的传递函数

根据以上分析，由CCM工作模态下得到的两个表达式，可得到以下5个传递函数：

考虑负载电流扰动对输出电压的影响