Boost三电平直流变换器控制回路的研究

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BOOST三电平直流变换器分压电容的均压方法

作者：王东珏 刘刚艳

来源：《中国科技博览》2013年第32期

摘要：只有对分压电容进行有效的均压控制，才能够使Boost三电平直流变换器能够正常工作。本文分析了Boost三电平直流变换器的工作原理，指出了该变换器的两个分压电容分压不均的原因， 并据此提出了一种均压的控制方法，它通过调整开关管的导通时间确保分压电容均压，最后利用PSIM结合控制算法对该变换器电路进行了仿真。论文最后给出了仿真结果来验证本方法的有效性。

关键词：BOOST直流变换器 三电平 均压 PSIM仿真

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-021-01

1 Boost 三电平直流变换器工作原理分析

三电平Boost变换器的拓扑结构如图1所示，其中C1和C2为两个分压电容，其容值相等。Q1和Q2为主开关管，D1和D2 为续流二极管，L1和L2为升压电感，R为负载。Q1和Q2为交错控制且驱动信号相差180°相角，这样可以最大程度减小输出电压纹波，在分析之前，作如下假设：所有开关管为理想器件，电感、电容为理想元件；C1= C2。

图1 三电平Boost变换器的拓扑电路

在一个开关周期内，该变换器有四个工作模态：

1） Q1和Q2 同时关断，这时，两个续流二极管D1、D2导通，L1、L2释放能量，电流减小，输出电压上升。

2） Q1导通、Q2关断。此时， 两电感能量的变化与初始状态有关， C2充电， C1反向充电， 同时C1给负载供电。

3）Q1关断、Q2导通。此时， C1充电，C2反向充电， 同时C2给负载供电。

4）Q1和Q2同时导通。此时， D1、D2截止， L1、L2由输入电压提供能量， 电流增大，C1、C2给负载供电， 输出电压下降。

第４期　谢桢，等：三电平直流变换器平衡中点电位的双移相ＰＷＭ控制研究　

由于多电平拓扑具有两电平拓扑所不具备的解　

决开关管功率和耐压约束的能力，故可用于实现高　

压大功率电能变换装置，目前已广泛运用于高压直　

流输电、中高压大功率交流传动等领域［１铷。文献　

［－４－１首次提出三电平变换器，该变换器属于一种中点　

箝位型（ＮＰＣ）三电平拓扑。文献［５－１将软开关引入　

到三电平直流变换拓扑中，提出了零电压开关三电　平直流变换器。近年来，出现了各种新型的三电平　

直流变换器，文献［－６－１分析了半桥三电平和全桥三电　

平ＢＵＣＫ直流变换器的演化过程，并系统总结了６　

种非隔离型和５种隔离型三电平直流变换器拓扑。　

目前，三电平直流变换器的研究热点集中在高频链　

技术和软开关技术［７　］，但研究多局限于小功率应用　

场合。本文提出将三电平直流变换器应用到中压大　

容量场合，可以实现中压直流电网至低压直流电网　

的直接能量传送，尤其适用于大型独立电力系统中　

的电能变换场合。变换器采用ＰＷＭ移相控制ｌ＿】　，　

以提高系统工作频率，减小变压器体积、质量。　

类似三电平ＮＰＣ逆变器，三电平Ｈ桥直流变　

换器也存在中点电位波动的问题，即变换器运行时，　

负载电流流过中点，使两个电容电压分压不均，从而　造成中点电位产生波动口　］。这是制约三电平直流　

变换器应用的一个不利因素。平衡中点电位可以从　

两个途径来实现：一是改变主电路，采用独立直流电　

源或加大电容值，这将显著增加设备成本；二是改进　

控制算法，实现对中点电位的控制，具有经济可行性　

和易实现性Ｌｌ　¨］。　

针对中点电位波动问题，本文在详细分析双移　

相ＰＷＭ平衡中点电位能力的基础上，设计了平衡　

中点电位的双移相ＰＷＭ复合控制器，并通过仿真　

和实验验证了该控制策略的可行性和有效性。　

１　三电平Ｈ桥直流变换器　

三电平Ｈ桥直流变换器的主电路结构如图１　

所示。Ｈ桥输出通过中频变压器降压后，由不控整　

流桥整流并经ＬＣＬ滤波器滤波输出到下级电网。　

三电平变换器模型预测控制研究

摘要：随着电力电子技术的发展，三电平变换器作为一种新型的电力变换装置，在电力传输和工业控制领域具有广泛的应用。本文主要研究了三电平变换器的模型预测控制方法，通过建立数学模型，对变换器进行控制和优化，以提高其性能和效率。

关键词：三电平变换器；模型预测控制；数学模型；性能优化

一、引言

三电平变换器是一种将直流电源转换为交流电源的重要装置，其主要特点是可以提供更高的功率密度、更低的电流谐波和更高的转换效率。然而，由于其复杂的结构和非线性特性，传统的控制方法难以实现对三电平变换器的精确控制。因此，研究和应用新的控制方法对三电平变换器的性能优化具有重要意义。

二、三电平变换器的模型预测控制方法

模型预测控制是一种基于模型的高级控制方法，通过对系统进行建模和预测，实现对系统的控制和优化。在三电平变换器中，我们可以建立其数学模型，包括电压和电流的动态方程等。基于该模型，我们可以预测系统的输出，并根据预测结果对输入进行调整，以实现对变换器的控制。

三、三电平变换器的性能优化 通过模型预测控制方法，可以对三电平变换器进行性能优化。首先，通过对系统的建模和预测，可以实现对输出电压和电流的精确控制，提高系统的稳定性和响应速度。其次，通过优化控制输入，可以降低系统的功耗和损耗，提高转换效率。最后，通过控制方法的优化，可以降低电流谐波，减少对其他设备的干扰。

四、实验结果及分析

本文通过实验验证了三电平变换器模型预测控制方法的有效性。实验结果表明，通过优化控制输入，可以实现对输出电压和电流的精确控制，提高系统的响应速度和稳定性。同时，通过优化控制方法，可以减少系统的功耗和损耗，提高转换效率。此外，通过控制方法的优化，可以有效降低电流谐波，减少对其他设备的干扰。

五、结论

本文研究了三电平变换器的模型预测控制方法，并通过实验验证了其有效性。通过模型预测控制方法，可以实现对三电平变换器的精确控制和性能优化，提高系统的响应速度、稳定性和效率。未来，我们将进一步研究和应用该方法，以满足不同领域对三电平变换器的控制需求，推动电力电子技术的发展。

《三电平Boost变换器在UPS中的应用》篇一

一、引言

随着现代科技的快速发展，电力系统中的不间断电源（UPS）技术日益受到重视。三电平Boost变换器作为一种高效、可靠的电力电子变换器，在UPS系统中发挥着重要作用。本文将详细探讨三电平Boost变换器在UPS中的应用，分析其工作原理、优势及其在UPS系统中的具体应用。

二、三电平Boost变换器的工作原理

三电平Boost变换器是一种采用中点箝位（NPC）技术的电力电子变换器，其工作原理是通过控制开关管的通断，实现输入电压的升降和输出电压的稳定。与传统的两电平变换器相比，三电平Boost变换器具有更低的电压应力、更小的电流谐波和更高的效率。

三、三电平Boost变换器的优势

三电平Boost变换器在UPS中的应用具有以下优势：

1. 提高系统效率：三电平Boost变换器具有较低的开关损耗和较低的导通损耗，从而提高系统效率。

2. 降低电磁干扰（EMI）：由于三电平Boost变换器的电流谐波较小，因此可以降低电磁干扰，提高系统的可靠性。

3. 适应宽范围输入电压：三电平Boost变换器可以适应较宽范围的输入电压，保证UPS系统的稳定运行。 4. 易于实现模块化设计：三电平Boost变换器结构简单，易于实现模块化设计，方便后期维护和升级。

四、三电平Boost变换器在UPS中的应用

在UPS系统中，三电平Boost变换器主要用于实现输入电压的升降和输出电压的稳定。具体应用如下：

1. 输入电压升降：三电平Boost变换器可以通过控制开关管的通断，实现输入电压的升降，从而适应不同电网电压的变化。

2. 输出电压稳定：三电平Boost变换器可以保证输出电压的稳定，为负载提供可靠的电力供应。在UPS系统中，当市电断电时，三电平Boost变换器可以迅速切换到电池供电模式，保证负载的电力供应不受影响。

3. 电池充电管理：三电平Boost变换器还可以实现电池的充电管理，根据电池的状态和需求，自动调整充电电流和充电电压，延长电池的使用寿命。