并聯Buck TL直流變換器控制研究

劉 明，李盛雄，王利琴

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并聯Buck TL直流變換器控制研究

劉 明1，李盛雄1，王利琴2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064；2.湖北省電力公司檢修公司, 武漢430060）

為了降低開關管電壓應力和提高負載功率，本文提出了并聯三電平直流變換器方案。分析了三電平直流變換器的工作原理及其控制策略，在 Matlab/Simulink 平臺上搭建仿真模型，實現了輸出電流均流和飛跨電容穩壓控制，驗證了并聯三電平直流變換器拓撲的優點，樣機試驗表明了該變換器及其控制的合理性和有效性。

三電平 均流 飛跨電容 控制策略

0 引言

三電平（Three-level，TL）直流變換器具有降低開關管電壓應力，減小輸入輸出濾波器等優點，適用于高輸入/輸出電壓的功率變換場合[1]。與兩電平直流變換器相比，三電平直流變換器的電感電流紋波更小。從變換器拓撲上來說，三電平變換器使用了較少的無源元件，便于系統集成。但是，要實現三電平直流變換器的優點，必須保證飛跨電容電壓的穩定[2]。

在實際電路中，由于各開關管的開關特性和占空比不可能做到完全一致，常導致飛跨電容電壓偏離平衡值，使得多電平變換器無法正常工作。為保證多電平直流變換器能正常工作，必須對飛跨電容電壓進行有效的控制[3]。

此外，為了進一步增大輸出電流提高功率，提高輸出紋波電流頻率和降低特征次諧波分量的幅值來減小濾波電感量及體積，需要多個Buck橋臂并聯的方式。但由于并聯橋臂開關器件特性的不一致、驅動電路的不對稱等，實際中會出現橋臂電流不均衡的情況。

因此在采用并聯技術實現分布式電源系統的同時，必須采取一定的措施來保證每個模塊平均分擔輸出電流（即所謂的均流），只有這樣，方能保證系統穩定可靠的工作，充分發揮并聯電源的優點[4]。

本文綜合考慮多方面運行條件因素，通過建立四橋臂并聯三電平Buck電路仿真模型以超級電容為模擬負載來研究主電路特性，可進一步降低三電平技術方案的研制風險。限于現有試驗條件，裝置采用電阻進行試驗，論文最后給出試驗結果，以驗證本方法的有效性。

1 并聯Buck TL直流變換器仿真

1.1 Buck TL直流變換器工作原理

圖1給出了Buck TL變換器的主電路。其中，飛跨電容Cb的初始電壓U=U/2，Q1和Q2為交錯控制其驅動信號相差180°相角。圖2給出了Buck TL變換器的四種工作狀態。

當開關管的占空比D>0.5時，在一個開關周期的一段時間內Q1和Q2同時導通，其余時間內只有Q1或Q2導通；當開關管的占空比D<0.5時，在1 個開關周期，一段時間內只有Q1或Q2導通，其余時間內Q1和Q2都關斷。

當Q1和Q2同時導通時，輸入電壓為負載提供能量，濾波器上的電壓U=U；當Q1導通Q2關斷時，輸入電壓與飛跨電容的壓差向負載提供能量，U=U/2；當Q1關斷Q2導通時，飛跨電容Cb向負載提供能量，U=U/2；當Q1和Q2同時關斷，濾波電感電流通過D1和D2續流，U=0。

無論占空比大于或小于0.5，當濾波電感電流連續時，Buck TL變換器輸出電壓與輸入電壓的關系為U/U=[5]。

1.2 四橋臂并聯Buck TL變換器仿真模型的建立

為提高輸出電流等級，本文采用四橋臂BUCK TL并聯結構，利用Matlab/Simulink進行仿真模型的建立和分析。

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1)控制策略選擇

為了實現四橋臂并聯Buck TL變換器的穩壓均流要求，仿真模型采用了以下兩種控制策略：

a)飛跨電容電壓穩壓策略

引入飛跨電容電壓均衡控制，對每個橋臂的占空比進行微調，使飛跨電容電壓維持在輸入電壓一半附近，圖3給出了變換器輸出限壓恒流帶飛跨電容微調的控制策略。

b)并聯橋臂均流策略

圖4所示為四橋臂并聯Buck TL直流變換器的拓撲結構。四個橋臂之間通過移相控制技術以減小輸出總電流紋波，每個橋臂的電流單獨控制，電流給定為總電流的四分之一。

2)仿真參數設定

本文建立的仿真模型為一個大電容快速充電裝置，輸入電源端設有6 mF的穩壓支撐電容，輸出端為200 F的電容，輸入額定電壓1500 V，輸出額定電流1800 A。

1.3 四橋臂Buck TL直流變換器仿真分析

總輸出電流給定1800 A，斜坡給定斜率為3600，仿真時間1 s，仿真結果如圖5～8所示。其中，圖5為輸出總電流和輸出電壓的仿真曲線，圖6為輸出總電流的瞬時波形仿真曲線，圖7為四個支路電流的瞬時波形仿真曲線，圖8為飛跨電容的瞬時電壓波形仿真曲線。

由圖5～8可以看出，仿真模型的總電流輸出曲線和輸出電壓曲線均穩步上升，0.5 s之后輸出總電流達到1800 A實現恒流控制，負載電容電壓線性上升；總電流瞬時波形的最大脈動為40 A，只有直流分量的2.2%，電流輸出穩定；在仿真過程中，四個支路的輸出電流波形大小和變化趨勢非常一致，體現了均流控制的效果；一個開關頻率內支路電流波形相互之間相移90°，總輸出電流的波形是四個支路波形的疊加，因此諧波頻率是支路電流諧波頻率的4倍，有利于減小輸出濾波電感體積；由于飛跨電容微調控制的存在，四個橋臂飛跨電容的電壓維持在支撐電容電壓的一半750 V附近，體現了穩壓控制的效果。

仿真結果證明了四橋臂Buck TL直流變換器拓撲結構和控制策略的可行性，符合設計要求。

2 試驗驗證

為了進一步驗證四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性，開發了四橋臂Buck TL直流變換器樣機并完成了1 MW功率等級下的電阻性負載限壓恒流試驗。圖9為試驗樣機外觀。

采用阻性負載時，隨著負載電流的增大，電阻上的電壓將會逐漸增加，因此通過將負載電流逐漸增大的方式即可模擬負載電容電壓的變化對控制系統影響。負載電流變化時的電壓電流波形如圖 10所示。

圖9 四橋臂Buck TL直流變換器樣機外觀

圖10 斜坡給定時電壓電流變化

圖中1通道為負載電流，2通道為負載電壓，可以看出當電流在10 s內由0A變化為740 A時，電壓在10 s內由0 V變化為680 V時，電壓能穩定的跟隨電流變化而變化無振蕩發生。試驗結果證明了四橋臂Buck TL直流變換器主電路結構及控制系統的穩定可行性。

3 總結

Buck TL變換器可以使各個開關管承受的電壓應力變為傳統BUCK變換器的一半，減少了開關管成本，更適合高輸入電壓的應用場合。多橋臂并聯的方式可以有效降低電流紋波，同時提高了輸出電流等級。飛跨電容穩壓控制可以保證飛跨電容電壓在輸入電壓的一半附近。本文從理論學習、仿真分析和試驗驗證三個方面說明了四橋臂Buck TL直流變換器及其控制策略的可行性。

[1] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開關技術[M]. 科學出版社, 2006.

[2] 單國棟. 三電平 Buck 直流變換器控制策略研究[D]. 重慶大學碩士學位論文, 2012.

[3] 張元嬡. 多電平直流變換器中飛跨電容電壓的一種控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2004, 24(8):34-38.

[4] 梁鋒. DC/DC變換器并聯均流與交錯控制研究[D].清華大學碩士學位論文, 2004.

[5] 胡斌,楊中平,黃先進,史京金,趙煒, 用于超級電容儲能系統的三電平雙向直流變換器及其控制[J]. 電工技術學報, 2015, 30(8): 83-88.

Study on Control Strategy of Paralleled Three-level Buck Converter

Liu Ming1, Li Shengxiong1, Wang Liqin2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2.Maintenance Company, Hubei Electric Power Company, Wuhan 430060, China )

TM463

A

1003-4862（2017）07-0051-04

2017-05-15

劉明（1987-），男，助工。研究方向：電機控制。