学术简报｜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
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的研究人员刘朋、陈昌松等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，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。
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找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找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。
图1 三电平半桥电路供电模态
本文针对三电平全桥直流变换器，深入分析了三电平全桥变换器输入中点电压偏移的原因，并解释了引入飞跨电容后中点电压的自平衡机制。通过文中的分析，主要得到了以下结论：
1）三电平全桥直流变换器在对管关断不一致的情况下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。
2）当对管关断不一致时，无飞跨电容的三电平全桥变换器的输入中点电压呈发散趋势，直到一个输入电容承受全部的输入电压，若不采取额外的措施，电路无法正常工作。
3）当对管关断不一致时，带飞跨电容的三电平全桥变换器的输入中点电压能趋于稳定，稳态下的电压偏差与关断延时、关断电流和飞跨电容的容值有关，文中推导了带飞跨电容的三电平全桥变换器输入中点电压稳态误差的数学表达式。
根据所推导的中点电压稳态误差的数学表达式进行飞跨电容的选型设计，可以有效地从硬件上解决三电平全桥变换器的中点电压偏移问题。