近年來，隨著光伏逆變器以及儲能行業(yè)的熱度持續(xù)高漲，人們對高效太陽能逆變器、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。為了實現(xiàn)這一目標，不僅逆變器，連DCDC級的拓撲（例如MPPT電路）都必須是低成本和高效的。在傳統(tǒng)的DCDC變換電路中，隔離拓撲大家通常選用LLC、移相全橋等實現(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撲大部分都采用傳統(tǒng)的兩電平Buck或Boost拓撲，或者采用多相交錯減小電流紋波，或者采用DCM模式實現(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撲，三電平拓撲是什么？相比于兩電平來說到底有哪些優(yōu)勢？在查閱眾多資料后，小編嘗試分期給大家進行介紹。

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，三電平拓撲的解決方案能夠降低半導體器件的電壓應(yīng)力和輸出電壓紋波，因此可以減小電感器的尺寸。由于三電平拓撲在運行時，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體。

1.什么是三電平拓撲？

想要明白三電平拓撲，那還得從大家熟知的兩電平拓撲說起，在之前的文章中【Monster學電子】開關(guān)電源必會拓撲-Boost，我們曾經(jīng)介紹過兩電平Boost拓撲的基本工作原理和關(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，電壓應(yīng)力都接近于0V，在斷開時，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拓撲稱為兩電平的原因。

常見的三電平的拓撲有三種，分別是二極管鉗位型、飛跨電容型、對稱式三電平拓撲。本篇文章以飛跨電容型三電平拓撲（如圖1）為例進行分析。所謂飛跨電容，即指跨接在D1、D2中點和T1、T2中點之間的電容CFC。飛跨電容升壓拓撲結(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撲

三電平拓撲結(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撲的一半。升壓電感兩端的較小電壓具有的優(yōu)點是，對于同樣要求的紋波電流，所需的電感僅為兩電平時所需電感的一半。因此減少了整個電感的體積、重量和成本。

2. 飛跨電容升壓拓撲詳細分析

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，電容器可以被認為是零阻抗。它在換向回路中的主要作用是使兩個外部半導體相互抵消。有了這個偏移，三電平飛跨電容升壓變換器可以被視為兩個獨立的升壓變換器，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，但在實際中使用了三個、四個或五個電平。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)路來實現(xiàn)。每個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)量可以計算如下：

a 是換向回路的個數(shù)，飛跨電容的電壓可以用下式計算：

b 是給定的換向單元的數(shù)量，第一個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，兩個開關(guān)管（T1、T2）都斷開，電流通過兩個二極管，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）導通，電流對飛跨電容充電，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，兩個開關(guān)管都導通。飛跨電容的電壓將保持不變，電感電流增加。

在連續(xù)導通模式（CCM）下，占空比（D）的計算方法和普通的兩電平Boost拓撲一直。可表示為：

飛跨電容拓撲中的兩個半導體開關(guān)管T1和T2在相位相差180°下進行控制，但導通時間（占空比）相同。在D＜0.5時，T1 和 T2 永遠不會同時導通，即不會工作在模式4。當占空比D＞0.5時，開關(guān)管T1和T2不存在同時關(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 < 0.5，在這種情況下，不存在模式4，運行如下：

…→模式1→模式2→模式1→模式3→…

如果 > 0.5，運行將是：

…→模式4→模式2→模式4→模式3→…

如果 = 0.5：

…→模式2→模式3→模式2→模式3→…

最常用的模式是當＜0.5

時間緊張，梳理不易，后續(xù)有機會將給大家繼續(xù)深入介紹三電平拓撲的相關(guān)知識。