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)開關管的軟開關降低損耗，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)部分開關管的軟開關提升效率，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，開關電壓電平是直流母線電壓的一半，因此可以使用開關速度更快、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，在開關管閉合時，電壓應力都接近于0V，在斷開時，電壓應力都接近于輸出電壓Vout，開關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構通過飛跨電容（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

三電平拓撲結構包括附加的第三電壓電平。第三電壓電平將升壓電感、開關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。內部換向回路包括飛跨電容器、內部二極管和內部開關。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，外側開關管（T2）導通，電流對飛跨電容充電，其電壓升高。

在第三種模式中，內側開關管（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?？杀硎緸椋?/span>

飛跨電容拓撲中的兩個半導體開關管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，開關管T1和T2不存在同時關斷的工作模式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知識。