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三电平拓扑1—为什么要用三电平拓扑?
三电平拓扑2—飞跨电容三电平Boost仿真
三电平拓扑3—电感纹波电流为什么会波动?
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三电平拓扑2—飞跨电容三电平Boost仿真

上一期我们介绍了为什么要用三电平拓扑,以及飞跨电容三电平拓扑基本的工作原理,请查看三电平拓扑1—为什么要用三电平拓扑?

本期逐步深入分析,对飞跨电容三电平拓扑进行简单的仿真,看看各部分的波形是否和理论分析的一致。

1.驱动信号

在飞跨电容升压变换器中,两个晶体管驱动相位相差180°,根据MCU发波原理,在此处我们选择30kHz的载波进行仿真说明,载波如图1所示。

图1 驱动信号载波

上一节了解到,占空比D<0.5,D=0.5和D>0.5分别处于不同的工作模式,我们首先看一下这三种情况下的驱动波形。

图2 D=0.2时的驱动波形

D=0.2时,很明显T1和T2的驱动没有重叠区域,两个开关管不可能同时导通

图3 D=0.5时的驱动波

D=0.5时,T1和T2的驱动信号完全互补,这导致在???? = 0.5时,操作模式将在模式2和模式3之间变化。

图4 D=0.8时的驱动波形

D=0.8时,T1和T2两个开关管的驱动存在重叠的区间,会出现同时导通的情况,以上三种工况模式请查看第一节。

2.关键器件的电压电流波形

飞跨电容升压变换器的典型曲线如图5所示????=0.2之间。输入电压Vin=50V,输出电压Vout=62V,飞跨电容的电压VFC=31V,与理论分析一致,飞跨电容电压应为输出电压的一半,仿真结果如图5所示。

图5 输入电压、输出电压、飞跨电容电压

由于飞跨电容的存在,电感电流的频率是开关频率的两倍,这会使电感纹波电流大幅减小,对于降低磁损和输出母线电容的损耗具有很大的意义,对于减小变换器的体积也有很大的作用。

图6 电感电流、飞跨电容电压、飞跨电容电流

3.两电平Boost与飞跨电容三电平Boost对比

接下来我们把传统的两电平Boost变换器仿真和飞跨电容三电平Boost变换器仿真放在一起对比,你会更清楚的看到三电平变换器的优点。在此我们假设两种拓扑的输入输出、电感等完全一致。

图7 电感电流

对所需升压电感的研究表明,从两电平移动到三电平,在纹波电流值不变的情况下,可将电感减少一半,或者在电感值不变的情况下,由于电感电流频率的额外加倍会使纹波电流减半。

两电平拓扑升压电感值计算

从两电平变为三电平会将电感两端的电压降低到一半值:

图8 开关管电流、电压

其中T3为传统两电平Boost拓扑开关管,T1、T2为三电平拓扑开关管。

图9 输出电容纹波电流

其中I_Cout1为传统两电平纹波电流,I_Cout2为三电平纹波电流。

总结一下:飞跨电容三电平拓扑的优点如下:

1、由于飞跨电容电压的存在,电感电流被倍频,纹波电流更小;

2、开关管电压应力只有传统两电平拓扑的一半,尤其对于高压系统,可以选用耐压值更低的MOSFET而不是IGBT;

3、开关管的电压应力以及输出电容的纹波电流更小。

在仿真过程中,发现一个奇怪的现象,电感电流一直在波动,请看下图9,大家可以思考一下,为什么会出现这种情况,下一次推文重点分析这个问题。

图9 电感电流

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