2018年9月电工技术学报Vol.33 No. 18 第33卷第18期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2018
DOI: 10.19595/s.171245
刘朋陈昌松段善旭
（华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉 430074）
摘要输入中点电压平衡问题通常是三电平拓扑的研究重点，但是在现有的文献中针对三电平全桥（TLFB）直流变换器的输入中点电压平衡问题还没有深入分析。针对TLFB直流变换器，给出其详细的模态分析，进而揭示其中点电压偏移的原因，并说明飞跨电容能带来中点电压自平衡的功能。首先通过对比无飞跨电容的三电平半桥（TLHB）和TLFB变换器的供电模态，指出在对管关断不一致的情况下，TLFB电路也会出现单个分压电容提供负载电流的模态，从而导致输入中点电压偏移；之后针对带飞跨电容的TLFB电路进行模态分析，证明即使在对管关断不一致的情况下，飞跨电容的引入能极大缓解中点电压的偏移，从而实现自平衡；最后分析稳态情况下偏移电压的影响因素，推导带飞跨电容的TLFB电路中 点电压稳态误差的数学表达式，该表达式能够对TLFB变换器中飞跨电容的设计提供理论指导。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。
关键词：三电平全桥直流变换器中点电压平衡飞跨电容
中图分类号：TM46
Self-Balance Mechanism Analysis of the Neutral Point Voltage in
Three-Level Full Bridge DC-DC Converter with Flying Capacitors机械加工工艺规程
Liu Peng Chen Changsong Duan Shanxu
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology
Wuhan 430074 China）
Abstract The balance of the neutral point voltage is always an important issue for the three-level topologies, but the deep analysis about the neutral point voltage balance in the three-level full bridge
(TLFB) DC-DC converter has not been provided in publications. Focusing on the TLFB converter, this paper provides the detailed mode operation analysis of the converter and reveals the cause of the unbalanced neutral point voltage. Moreover, the mechanism of the self-balance ability brought by the flying capacitors is explained in detail. First, the supply modes of three-level half bridge (TLHB) and TLFB converters without flying capacitors are compared. It is pointed out that in the case of inconsistent turn-off of the diagonal switches, an individual input capacitor will have to provide the load current, resulting in an offset of the neutral point voltage. Then the detailed mode operation of TLFB with flying capacitor has been provided when the diagonal switches turn off inconsistently, which proves that flying capacitors can relieve the drift of the neutral point voltage and further achieve the self-balance of the neutral point voltage. At last, the influence factor of the voltage drift in steady
国家自然科学基金（51477067）和光宝电力电子技术科研基金（PRC20161047）资助项目。
收稿日期 2017-08-29 改稿日期 2017-11-18
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毫米波天线
state has been analyzed. The specific expression has also been derived, which is another important
洪华美design guidance for the TLFB converter. The feasibility of the proposed method is verified by the simulation and experimental results.
Keywords：Three-level full bridge, DC-DC converter, balance of neutral point voltage, flying capacitor小黑眼
0引言
由于开关器件的电压应力只有输入电压的一半，三电平（Three Level, TL）变换器在高压大功率场合得到了广泛的应用。文献[1]将三电平半桥结构[2]在直流变换器拓扑上加以推广，得到了一簇三电平直流变换器，其中包括三电平全桥变换器（Three-Level Full Bridge, TLFB）。三电平全桥变换器结合了全桥变换器和三电平变换器的优点，非常适合高压大功率的应用场合。
在三电平直流拓扑中，输入中点电压平衡问题常常是关注的重点[3-7]。文献[3]针对不隔离的三电平变换器，通过反馈分压电容的电压，调整开关管的导通时间，从而实现分压电容的均压。文献[4]针对飞跨电容钳位型隔离三电平变换器，通过反馈飞跨电容电压，调节正负半周占空比来实现分压电容均压。文献[5]分析了三电平半桥输入中点偏移的原因并提出了相应的电容电压控制策略。文献[6]针对三电平全桥电路，提出了双移相的调制方法，分析了双移相调制下中点电压偏移的原因并对调制策略做了相应的改进，但是文中并没有说明在传统调制方法下三电平全桥电压偏移的原因及抑制措施。在三
电平逆变器的研究中，直流侧的中点电压平衡问题同样是研究的焦点[8-15]。文献[8]利用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）中冗余矢量对中点电位的影响，针对三电平背靠背变流器的中电电压波动进行了分析并提出了相应的抑制策略。文献[9]在SVPWM中使用了虚拟最近三矢量调制的方法，对中点电压的波动有很好的抑制效果，但对抑制中点电压的偏移效果并不理想。文献[10]利用虚拟SVPWM的方法，通过g-h坐标变换，消除中点电压波动，同时用冗余小矢量控制中点电压的偏移，但该策略一方面算法比较复杂，而且也增加了开关器件的动作次数，增大了系统损耗。而针对系统损耗问题，在文献[13]中提出了一种既具有中点电压平衡又能降低系统损耗的矢量调制方法。
目前，针对三电平全桥直流变换器的研究主要集中在寻最优调制策略和电路拓扑的改进。文献[16]详细分析了三电平全桥的工作模态和软开关条件。文献[17,18]提出了一种复合式的三电平全桥变换器，有利于减小输入输出滤波器，并能在宽负载范围内实现零电压开通（Zero Voltage Switching, ZVS），但所引入的两电平桥臂的开关器件需要承受全部的输入电压。文献[19]以三电平全桥的能量传输大、滤波电感电流纹波小和开关管实现软开关为目标寻一种最优的调制方式。文献[20]针对高压直流输入、大电流直流输出的应用场合，提出了一种以三电平全桥变换器为基础的多重化直流变换器系统[21]，并在此基础上，研究了其冗余容错的控制算法，有利于提高系统工作的可靠性。
现有研究中，很少有针对三电平全桥直流变换器的输入中点平衡问题的分析，本文将针对该问题进行
论述。首先从无飞跨电容的三电平半桥和三电平全桥直流变换器的供电模态对比入手，指出三电平全桥中点电压偏移的原因在于对管关断不一致；之后针对带飞跨电容的三电平全桥电路进行模态分析，证明了飞跨电容的引入能极大缓解中点电压偏移问题，并推导了稳态偏移电压的影响因素及数学表达式。最后针对文中的分析进行了仿真和实验验证。
1中点电压偏移分析
1.1 三电平半桥与三电平全桥的比较
通常在三电平半桥直流变换器中，两个串联的输入电容有单独给负载供电的情况，如图1所示。
周涵 成都书店从图1可以直观地看出，如果模态1和模态2持续的时间不一致，则输入分压电容C in1和C in2充
（a）模态1，变压器输出正电压
第33卷第18期刘朋等带飞跨电容的三电平全桥直流变换器输入中点电压的自平衡分析
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（b）模态2，变压器输出负电压
图1 三电平半桥电路供电模态
Fig.1 Supply mode of three-level half-bridge converter 放电电荷不等，直接导致分压电容的电压不均，从而出现输入中点电压偏移的问题。
但是对于三电平全桥电路，如图2所示，其供电模态中并没有输入分压电容单独提供负载电流的情况，但是在实验中仍然发现存在输入中点电压偏移的现象。
（a）变压器输出正电压
（b）变压器输出负电压
图2 三电平全桥电路供电模态
Fig.2 Supply mode of TLFB converter
1.2中点电压偏移原因
本文所采用的三电平全桥的调制策略如图3所示，两桥臂对管的驱动信号完全一致，各桥臂内管
图3 三电平全桥的调制策略
Fig.3 Modulation strategy for TLFB Q
2
/
Q3/Q6/Q7各自的驱动信号Q2/Q3/Q6/Q7的脉宽为50%，而外管Q1/Q8/Q4/Q5的驱动信号Q1/Q8/Q4/Q5脉宽可调节，从而调节输出电压。图中，T s为一半开关周期，D为占空比。
结合上述调制策略可以看出，在图2a的供电模态结束后，此时外管Q1/Q8需要关断，但在实际系统中，控制器的输出脉冲、驱动电路和开关器件都可能存在一定微小的差异[22]，会造成Q1/Q8的关断时刻并不一致。假设Q8先关断，Q1后关断，则在该时间段内的电路模态如图4所示，因为后面的分析与变压器二次侧的整流回路无关，所以在电路模态中不予表现。
图4 外管Q8先关断后的电路模态
Fig.4 Topology stage after outer switch Q8 is off
假设从Q8关断到Q1关断之间的时间为Δt，因为该段时间很短，远小于开关周期，可以认为在该段时间内谐振电感电流不变（记为I p）。在该段时间内流过电感的电荷为Q =I pΔt，这部分电荷一方面要给C in1放电，另外要给C in2充电，于是C in1上的电压下降，C in2上的电压上升，仿真波形如图5所示。其中，电流正方向设定为流入电容的方向。
从图5可以看出，在每个开关周期中从Q8关断到Q1关断的时间内，C in1放电，C in2充电，V C in1不断下降，V C in2不断上升，输入分压电容电压发散，系统无法正常稳定地工作。
如果内管Q2/Q7的关断时刻不一致，同样会使单个输入电容在这段不匹配的时间内进行充放电，导致分压电容电压发散。其模态与外管的情况类似，为了节省篇幅，这里不再赘述。
需要说明的是，在这里并没有讨论对管开通的
（a）分压电容的电压波形
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（b）分压电容的电流波形
图5 外管开关Q8先于Q1关断时的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms when Q8 turns off before Q1延时问题，因为在设计中一般会保证开关管ZVS，所以在开关管开通前后，电流流过反并联二极管，微小的开通延时对系统的模态没有影响。
2飞跨电容的作用分析
2.1引入飞跨电容的效果
在现有的研究中，很少有提及三电平全桥直流变换器的输入中点电压偏移问题，主要原因是在大多的应用场合中，都会采用带飞跨电容的三电平电路，如图6所示。通常认为飞跨电容的引入能实现外管和内管的软开关条件解耦[13]，但同时，引入飞跨电容也能极大地缓解输入中点电压偏移的问题，目前尚没有研究对此进行深入分析，下面将对飞跨电容的效果和作用机理进行阐述。
图6 带飞跨电容的三电平全桥电路
Fig.6 TLFB converter with flying capacitors
同样在外管Q8先关断、Q1后关断的情况下，且关断延时与图5的仿真设置相同，输入分压电容C in1和C in2的电压电流仿真波形如图7所示。
（a）分压电容的电压波形
（b）分压电容的电流波形
图7 带飞跨电容的三电平全桥在外管开关Q8先于
Q
1
复乐园关断时的仿真波形
Fig.7 Simulation waveforms of TLFB with flying
capacitors when outer switches Q8 turns off before Q1
从图7可以看出，输入分压电容电压在一定时间后达到稳态，且稳态下电压偏差很小。在每个开关周期内，从Q8关断到Q1关断的时间内，C in1放电，C in2充电，与前面的分析类似；但在其他时间段内，会有电流给C in1充电，C in2放电，因此能维持一个平衡状态。
2.2 模态分析
从2.1节的仿真结果可以看出，三电平全桥直流变换器引入飞跨电容后能极大缓解对管关断不匹配所带来的中点电压偏移问题，但如果要了解飞跨电容作用的机理和稳态电压差的影响因素，还需要进行详
细的模态分析。下面的分析针对的是外管关断不匹配的情况，Q8先于Q1关断，内管关断不匹配的分析类似，本文不再详细论述。
假设在平衡状态下C in1上的电压为V1，C in2上的电压为V2，因为Q8先于Q1关断，所以设定V1＜V2。在实验样机中通常输入电容要远大于飞跨电容，所以可以认为在一个开关周期内输入电容电压恒定，即V C in1=V1，V C in2=V2。稳态情况下工作波形如图8所示，结合该波形进行模态分析，评估稳态情况下分压电容上电压差的影响因素。
在图8的工作波形中共有9个模态，各模态的等效电路如图9所示。
下面对各个电路模态进行说明，其中涉及飞跨电容平衡机制的模态予以详细说明，有些模态只是三电平变换器[2,16]的常规模态，只予以简单介绍。
1）模态1：[t0, t1]。t0时刻之前，电流通过
Q
1
/Q2/Q7/Q8提供电能，此时Q4的结电容电压被C in2钳位，即为V2，Q5的结电容电压被C in1钳位，即为V1。由此可知，飞跨电容C ss1的电压为V1，C ss2上的电压为V2。
第33卷第18期 刘 朋等 带飞跨电容的三电平全桥直流变换器输入中点电压的自平衡分析
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图8 带飞跨电容的三电平全桥在外管开关Q 8先于
Q 1关断时的工作波形
Fig.8 Operation waveforms of TLFB with flying capacitors when outer switches Q 8 turns off before Q
1
（a ）[t 0, t 1]的电路模态
（b ）[t 1, t 2]的电路模态
（c ）[t 2, t 3]的电路模态
（d ）[t 3, t 4]的电路模态
（e ）[t 4, t 5]的电路模态
（f ）[t 5, t 6]的电路模态
（g ）[t 6, t 7]的电路模态
（h ）[t 7, t 8]的电路模态
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