三电平拓扑1—为什么要用三电平拓扑？

原创 Monster电子技术 2023-08-21 11:30

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近年来，随着光伏逆变器以及储能行业的热度持续高涨，人们对高效太阳能逆变器、PCS等功率变换的需求越来越大，但低成本、高效率的解决方案是所有厂家永恒的追求。为了实现这一目标，不仅逆变器，连DCDC级的拓扑（例如MPPT电路）都必须是低成本和高效的。在传统的DCDC变换电路中，隔离拓扑大家通常选用LLC、移相全桥等实现开关管的软开关降低损耗，提升效率，而非隔离直流变换拓扑大部分都采用传统的两电平Buck或Boost拓扑，或者采用多相交错减小电流纹波，或者采用DCM模式实现部分开关管的软开关提升效率，但是效果终究是有瓶颈的。

最近几年，越来越多的光伏产品开始选择使用三电平直流变换拓扑，三电平拓扑是什么？相比于两电平来说到底有哪些优势？在查阅众多资料后，小编尝试分期给大家进行介绍。

两电平和三电平的升压变换器通常用于光伏逆变器。相比于两电平的方案，三电平拓扑的解决方案能够降低半导体器件的电压应力和输出电压纹波，因此可以减小电感器的尺寸。由于三电平拓扑在运行时，开关电压电平是直流母线电压的一半，因此可以使用开关速度更快、成本更低的低压半导体。

1. 什么是三电平拓扑？

想要明白三电平拓扑，那还得从大家熟知的两电平拓扑说起，在之前的文章中【Monster学电子】开关电源必会拓扑-Boost，我们曾经介绍过两电平Boost拓扑的基本工作原理和关键器件参数的分析。在工作过程中，不论是Boost电路的下管还是上管，在开关管闭合时，电压应力都接近于0V，在断开时，电压应力都接近于输出电压Vout，开关管源极和漏极的电压只有两种电压模式，即0V和Vout，这就是为什么把传统的DCDC拓扑称为两电平的原因。

常见的三电平的拓扑有三种，分别是二极管钳位型、飞跨电容型、对称式三电平拓扑。本篇文章以飞跨电容型三电平拓扑（如图1）为例进行分析。所谓飞跨电容，即指跨接在D1、D2中点和T1、T2中点之间的电容CFC。飞跨电容升压拓扑结构通过飞跨电容（CFC）产生第三电压电平，充电至输出电压的一半。

图1 飞跨电容型三电平拓扑

三电平拓扑结构包括附加的第三电压电平。第三电压电平将升压电感、开关管和二极管两端的电压降低到两电平拓扑的一半。升压电感两端的较小电压具有的优点是，对于同样要求的纹波电流，所需的电感仅为两电平时所需电感的一半。因此减少了整个电感的体积、重量和成本。

2. 飞跨电容升压拓扑详细分析

在飞跨电容升压变换器中，换向回路包括电容器。从换向的角度来看，电容器可以被认为是零阻抗。它在换向回路中的主要作用是使两个外部半导体相互抵消。有了这个偏移，三电平飞跨电容升压变换器可以被视为两个独立的升压变换器，其中外部的换向回路包括直流母线电容、外部二极管、飞跨电容器和外部开关。内部换向回路包括飞跨电容器、内部二极管和内部开关。两个换向回路如图2所示。