buck直流变换器研究现状

buck直流变换器研究现状（一）直流变换器当今科学技术日益发展，直流电源系统或直流驱动设备发展迅速，在各种场合中的应用越来越普遍。对直流变换器的需求和对直流变换器的性能、参数指标要求都越来越高。直流变换器的发展趋势是从大体积向小体积发展，功率密度、转换效率是从低到高发展。效率的提高使发热减少，可靠性也就大大提高。双向直流变换器的提出和应用，实现了上述要求。双向dc-dc变换器是通过对传统的单向直流变换器改进而成，将有源开关代替无源开关，双向基本变换单元代替单向基本变换单元，通常把二极管D和开关管Q反向并联，在把电容分别并联在输出输入两端即能实现。双向dc-dc变换器改进了单向dc-dc变换器，实现能量双向传输，在生产应用中减少了器件数目，降低了成本，提高了效率，提高了性能，是直流变换器发展历程中重要的改进。上世纪八十年代，美国学者提出双向Buck/Boost直流变换器，主要用来应用于人造卫星。上世纪九十年代，香港大学陈清泉教授进行了电动车用双向dc-dc变换器的研究实验。同年，F.Caricchi教授提出了Buck－Boost级联型双向dc-dc变换器，克服了双向直流变换器因输出输入极性相反而不适合于电动车的问题。98年，美国弗吉尼亚大学的李择元教授开展用于燃料电池的双向dc-dc变换器的研究和试验工作。综上可见，航天技术和电动车技术对直流变换器的发展应用产生了重要推动作用。1994年FelixA．Himmelstoss发表的文章阐述了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。主要有已下几种：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta双向直流变换器。隔离式双向dc-dc变换器有：正激、反激、推免和桥式等拓扑结构。在所有结构中，Buck和Boost是最基本的电路。直流变换器应用很普遍，主要有：远程及数据通讯，计算机，工业仪器仪表，电动汽车，太阳能电池阵，分布式电站，军事航天等方面。舰船上的直流配电区域，也需要用到直流变换器。（二）三电平直流变换器在高电压大容量场合，传统的两电平变换器只能采用GTO器件或IGBT串联的方式。但GTO具有很多缺点，如开关频率低，电路复杂，输出电流畸变严重。IGBT串联的方式，又降低了系统可靠性。1977年，德国Holtz率先将三电平的思想提出，在传统两电平结构上，在每相桥臂进行箝位，构造了三电平变换拓扑。1981年，日本AkiraNabae教授为了减小变换器输出谐波的影响，提出了中点箝位三电平逆变器的拓扑结构。他在Holtz的基础上，提出了二极管中点箝位式，用箝位二极管代替辅助开关管，与上下桥臂开关管连接来辅助中点箝位。为了减小电能变换装置对电网的污染，功率因数校正技术得到广泛研究和发展，这就要求提高后级直流变换器开关管的电压定额，未解决此问题，1992年Pinheiro提出了零电压开关三电平直流变换器（Zero－Voltage－switchingthree－levelDC/DCconverter，ZVSTL变换器），其开关应力为输入直流电压的一半，非常适用于输入高电压，输出大功率的场合。三电平电路的产生对高压大容量变换器的研究有着重大意义。多电平变换器大致可分成输出串联式和电平箝位式两大类。三电平变换器是在两电平变换器基础上推演变化来的，所以和两电平变换器一样，也分为Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta等不隔离TL变换器以及正激、反激、推免和桥式等隔离的TL变换器。三电平变换器相对于两电平变换器有很多优点：单个器件承受电压应力小，系统主电路容易实现高电压容量；相同开关频率下，输出电压电流波形更接近正弦，谐波含量低。采用合适的算法，能保证系统更加安全地运行。因其低开关管电压应力受到人们广泛兴趣，多电平逆变器成为研究热点，国内外学者尤其致力于三电平变换器的拓扑结构和控制方法，三电平变换器得到了长足的发展。部分三电平变换器在降低开关应力的同时，还大大减小了滤波电感和滤波电容，改善了变换器的动态特性。三电平buck直流变换器虽然有上述多电平变换器的优点：开关电压应力小，滤波电感和滤波电容小。可是输入输出不共地，很多场合无法应用。这是由其拓扑结构决定的，因此要在拓扑结构上做些改进，于是有了改进型三电平buck直流变换器，即输入输出共地。三电平Buck直流变换器是通过Q1、Q2两个开关管的交替工作来实现的。Q1、Q2各导通180°。占空比D＞0.5时和＜0.5时变换器的工作状态是不一样的。三电平Buck直流变换器是高阶、离散、非线性、时变的系统，开关数目多，工作状态复杂，传统方法对它的分析和建模研究是比较困难的。准确建模对其分析设计有重要作用，是直流变换器设计分析的基础工作。分析三电平buck直流变换器的稳定性和动态特性，目前有下列方法：状态空间平均法，李亚普诺夫稳定性法，以及积分滑模控制法，脉冲波形积分法等。