并联Buck TL直流变换器控制研究

刘 明，李盛雄，王利琴



并联Buck TL直流变换器控制研究

刘 明1，李盛雄1，王利琴2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.湖北省电力公司检修公司, 武汉430060）

为了降低开关管电压应力和提高负载功率，本文提出了并联三电平直流变换器方案。分析了三电平直流变换器的工作原理及其控制策略，在 Matlab/Simulink 平台上搭建仿真模型，实现了输出电流均流和飞跨电容稳压控制，验证了并联三电平直流变换器拓扑的优点，样机试验表明了该变换器及其控制的合理性和有效性。

三电平 均流 飞跨电容 控制策略

0 引言

三电平（Three-level，TL）直流变换器具有降低开关管电压应力，减小输入输出滤波器等优点，适用于高输入/输出电压的功率变换场合[1]。与两电平直流变换器相比，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[2]。

在实际电路中，由于各开关管的开关特性和占空比不可能做到完全一致，常导致飞跨电容电压偏离平衡值，使得多电平变换器无法正常工作。为保证多电平直流变换器能正常工作，必须对飞跨电容电压进行有效的控制[3]。

此外，为了进一步增大输出电流提高功率，提高输出纹波电流频率和降低特征次谐波分量的幅值来减小滤波电感量及体积，需要多个Buck桥臂并联的方式。但由于并联桥臂开关器件特性的不一致、驱动电路的不对称等，实际中会出现桥臂电流不均衡的情况。

因此在采用并联技术实现分布式电源系统的同时，必须采取一定的措施来保证每个模块平均分担输出电流（即所谓的均流），只有这样，方能保证系统稳定可靠的工作，充分发挥并联电源的优点[4]。

本文综合考虑多方面运行条件因素，通过建立四桥臂并联三电平Buck电路仿真模型以超级电容为模拟负载来研究主电路特性，可进一步降低三电平技术方案的研制风险。限于现有试验条件，装置采用电阻进行试验，论文最后给出试验结果，以验证本方法的有效性。

1 并联Buck TL直流变换器仿真

1.1 Buck TL直流变换器工作原理

图1给出了Buck TL变换器的主电路。其中，飞跨电容Cb的初始电压U=U/2，Q1和Q2为交错控制其驱动信号相差180°相角。图2给出了Buck TL变换器的四种工作状态。

当开关管的占空比D>0.5时，在一个开关周期的一段时间内Q1和Q2同时导通，其余时间内只有Q1或Q2导通；当开关管的占空比D<0.5时，在1 个开关周期，一段时间内只有Q1或Q2导通，其余时间内Q1和Q2都关断。

当Q1和Q2同时导通时，输入电压为负载提供能量，滤波器上的电压U=U；当Q1导通Q2关断时，输入电压与飞跨电容的压差向负载提供能量，U=U/2；当Q1关断Q2导通时，飞跨电容Cb向负载提供能量，U=U/2；当Q1和Q2同时关断，滤波电感电流通过D1和D2续流，U=0。

无论占空比大于或小于0.5，当滤波电感电流连续时，Buck TL变换器输出电压与输入电压的关系为U/U=[5]。

1.2 四桥臂并联Buck TL变换器仿真模型的建立

为提高输出电流等级，本文采用四桥臂BUCK TL并联结构，利用Matlab/Simulink进行仿真模型的建立和分析。

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1)控制策略选择

为了实现四桥臂并联Buck TL变换器的稳压均流要求，仿真模型采用了以下两种控制策略：

a)飞跨电容电压稳压策略

引入飞跨电容电压均衡控制，对每个桥臂的占空比进行微调，使飞跨电容电压维持在输入电压一半附近，图3给出了变换器输出限压恒流带飞跨电容微调的控制策略。

b)并联桥臂均流策略

图4所示为四桥臂并联Buck TL直流变换器的拓扑结构。四个桥臂之间通过移相控制技术以减小输出总电流纹波，每个桥臂的电流单独控制，电流给定为总电流的四分之一。

2)仿真参数设定

本文建立的仿真模型为一个大电容快速充电装置，输入电源端设有6 mF的稳压支撑电容，输出端为200 F的电容，输入额定电压1500 V，输出额定电流1800 A。

1.3 四桥臂Buck TL直流变换器仿真分析

总输出电流给定1800 A，斜坡给定斜率为3600，仿真时间1 s，仿真结果如图5～8所示。其中，图5为输出总电流和输出电压的仿真曲线，图6为输出总电流的瞬时波形仿真曲线，图7为四个支路电流的瞬时波形仿真曲线，图8为飞跨电容的瞬时电压波形仿真曲线。

由图5～8可以看出，仿真模型的总电流输出曲线和输出电压曲线均稳步上升，0.5 s之后输出总电流达到1800 A实现恒流控制，负载电容电压线性上升；总电流瞬时波形的最大脉动为40 A，只有直流分量的2.2%，电流输出稳定；在仿真过程中，四个支路的输出电流波形大小和变化趋势非常一致，体现了均流控制的效果；一个开关频率内支路电流波形相互之间相移90°，总输出电流的波形是四个支路波形的叠加，因此谐波频率是支路电流谐波频率的4倍，有利于减小输出滤波电感体积；由于飞跨电容微调控制的存在，四个桥臂飞跨电容的电压维持在支撑电容电压的一半750 V附近，体现了稳压控制的效果。

仿真结果证明了四桥臂Buck TL直流变换器拓扑结构和控制策略的可行性，符合设计要求。

2 试验验证

为了进一步验证四桥臂Buck TL直流变换器及其控制策略的可行性，开发了四桥臂Buck TL直流变换器样机并完成了1 MW功率等级下的电阻性负载限压恒流试验。图9为试验样机外观。

采用阻性负载时，随着负载电流的增大，电阻上的电压将会逐渐增加，因此通过将负载电流逐渐增大的方式即可模拟负载电容电压的变化对控制系统影响。负载电流变化时的电压电流波形如图 10所示。

图9 四桥臂Buck TL直流变换器样机外观

图10 斜坡给定时电压电流变化

图中1通道为负载电流，2通道为负载电压，可以看出当电流在10 s内由0A变化为740 A时，电压在10 s内由0 V变化为680 V时，电压能稳定的跟随电流变化而变化无振荡发生。试验结果证明了四桥臂Buck TL直流变换器主电路结构及控制系统的稳定可行性。

3 总结

Buck TL变换器可以使各个开关管承受的电压应力变为传统BUCK变换器的一半，减少了开关管成本，更适合高输入电压的应用场合。多桥臂并联的方式可以有效降低电流纹波，同时提高了输出电流等级。飞跨电容稳压控制可以保证飞跨电容电压在输入电压的一半附近。本文从理论学习、仿真分析和试验验证三个方面说明了四桥臂Buck TL直流变换器及其控制策略的可行性。

[1] 阮新波. 三电平直流变换器及其软开关技术[M]. 科学出版社, 2006.

[2] 单国栋. 三电平 Buck 直流变换器控制策略研究[D]. 重庆大学硕士学位论文, 2012.

[3] 张元嫒. 多电平直流变换器中飞跨电容电压的一种控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(8):34-38.

[4] 梁锋. DC/DC变换器并联均流与交错控制研究[D].清华大学硕士学位论文, 2004.

[5] 胡斌,杨中平,黄先进,史京金,赵炜, 用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制[J]. 电工技术学报, 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

刘明（1987-），男，助工。研究方向：电机控制。