近年來，隨著光伏逆變器以及儲(chǔ)能行業(yè)的熱度持續(xù)高漲，人們對(duì)高效太陽能逆變器、PCS等功率變換的需求越來越大，但低成本、高效率的解決方案是所有廠家永恒的追求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅逆變器，連DCDC級(jí)的拓?fù)洌ɡ鏜PPT電路）都必須是低成本和高效的。在傳統(tǒng)的DCDC變換電路中，隔離拓?fù)浯蠹彝ǔ＿x用LLC、移相全橋等實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)降低損耗，提升效率，而非隔離直流變換拓?fù)浯蟛糠侄疾捎脗鹘y(tǒng)的兩電平Buck或Boost拓?fù)?，或者采用多相交錯(cuò)減小電流紋波，或者采用DCM模式實(shí)現(xiàn)部分開關(guān)管的軟開關(guān)提升效率，但是效果終究是有瓶頸的。
最近幾年，越來越多的光伏產(chǎn)品開始選擇使用三電平直流變換拓?fù)?，三電平拓?fù)涫鞘裁?？相比于兩電平來說到底有哪些優(yōu)勢(shì)？在查閱眾多資料后，小編嘗試分期給大家進(jìn)行介紹。
兩電平和三電平的升壓變換器通常用于光伏逆變器。相比于兩電平的方案，三電平拓?fù)涞慕鉀Q方案能夠降低半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力和輸出電壓紋波，因此可以減小電感器的尺寸。由于三電平拓?fù)湓谶\(yùn)行時(shí)，開關(guān)電壓電平是直流母線電壓的一半，因此可以使用開關(guān)速度更快、成本更低的低壓半導(dǎo)體。
1. 什么是三電平拓?fù)洌?/strong>
想要明白三電平拓?fù)?，那還得從大家熟知的兩電平拓?fù)湔f起，我們?cè)?jīng)介紹過兩電平Boost拓?fù)涞幕竟ぷ髟砗完P(guān)鍵器件參數(shù)的分析。在工作過程中，不論是Boost電路的下管還是上管，在開關(guān)管閉合時(shí)，電壓應(yīng)力都接近于0V，在斷開時(shí)，電壓應(yīng)力都接近于輸出電壓Vout，開關(guān)管源極和漏極的電壓只有兩種電壓模式，即0V和Vout，這就是為什么把傳統(tǒng)的DCDC拓?fù)浞Q為兩電平的原因。
常見的三電平的拓?fù)溆腥N，分別是二極管鉗位型、飛跨電容型、對(duì)稱式三電平拓?fù)?。本篇文章以飛跨電容型三電平拓?fù)洌ㄈ鐖D1）為例進(jìn)行分析。所謂飛跨電容，即指跨接在D1、D2中點(diǎn)和T1、T2中點(diǎn)之間的電容CFC。飛跨電容升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過飛跨電容（CFC）產(chǎn)生第三電壓電平，充電至輸出電壓的一半。
圖1 飛跨電容型三電平拓?fù)?/span>
三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括附加的第三電壓電平。第三電壓電平將升壓電感、開關(guān)管和二極管兩端的電壓降低到兩電平拓?fù)涞囊话?。升壓電感兩端的較小電壓具有的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于同樣要求的紋波電流，所需的電感僅為兩電平時(shí)所需電感的一半。因此減少了整個(gè)電感的體積、重量和成本。
2. 飛跨電容升壓拓?fù)湓敿?xì)分析
在飛跨電容升壓變換器中，換向回路包括電容器。從換向的角度來看，電容器可以被認(rèn)為是零阻抗。它在換向回路中的主要作用是使兩個(gè)外部半導(dǎo)體相互抵消。有了這個(gè)偏移，三電平飛跨電容升壓變換器可以被視為兩個(gè)獨(dú)立的升壓變換器，其中外部的換向回路包括直流母線電容、外部二極管、飛跨電容器和外部開關(guān)。內(nèi)部換向回路包括飛跨電容器、內(nèi)部二極管和內(nèi)部開關(guān)。兩個(gè)換向回路如圖2所示。
圖2 換向回路
一般來說，電壓電平的數(shù)量理論上是無限的，但在實(shí)際中使用了三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)電平。n電平解決方案中的附加電平可以通過在三電平轉(zhuǎn)換器中添加額外的外部換相環(huán)路來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)增加的升壓變換器的換向回路將類似于圖2上的綠色回路。電壓電平的數(shù)量可以計(jì)算如下：
a 是換向回路的個(gè)數(shù)，飛跨電容的電壓可以用下式計(jì)算：
b 是給定的換向單元的數(shù)量，第一個(gè)回路通常指最外層的回路。
在三電平飛跨電容升壓變換器的工作中，有四種不同的模式。在正常運(yùn)行過程中，飛跨電容的電壓是輸出電壓的一半，并且電感電流是連續(xù)的。
在第一種模式中，兩個(gè)開關(guān)管（T1、T2）都斷開，電流通過兩個(gè)二極管，工作于續(xù)流模式。在這種模式下，飛跨電容的電壓不變，電感電流減小，輸出電壓增大。
在第二種模式中，外側(cè)開關(guān)管（T2）導(dǎo)通，電流對(duì)飛跨電容充電，其電壓升高。
在第三種模式中，內(nèi)側(cè)開關(guān)管（T1）導(dǎo)通（T2）斷開，電流通過飛跨電容向母線放電，飛跨電壓降低，輸出電壓增加。
在第四種模式中，兩個(gè)開關(guān)管都導(dǎo)通。飛跨電容的電壓將保持不變，電感電流增加。
在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，占空比（D）的計(jì)算方法和普通的兩電平Boost拓?fù)湟恢??？杀硎緸椋?/span>
飛跨電容拓?fù)渲械膬蓚€(gè)半導(dǎo)體開關(guān)管T1和T2在相位相差180°下進(jìn)行控制，但導(dǎo)通時(shí)間（占空比）相同。在D＜0.5時(shí)，T1 和 T2 永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，即不會(huì)工作在模式4。當(dāng)占空比D＞0.5時(shí)，開關(guān)管T1和T2不存在同時(shí)關(guān)斷的工作模式1，所以工作的模式取決于占空比的大小。
如果D < 0.5，在這種情況下，不存在模式4，運(yùn)行如下：
…→模式1→模式2→模式1→模式3→…
如果D > 0.5，運(yùn)行將是：
…→模式4→模式2→模式4→模式3→…
如果D = 0.5：
…→模式2→模式3→模式2→模式3→…
最常用的模式是當(dāng)D＜0.5
時(shí)間緊張，梳理不易，后續(xù)有機(jī)會(huì)將給大家繼續(xù)深入介紹三電平拓?fù)涞南嚓P(guān)知識(shí)。