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低占空比谷值电流控制三电平Buck变换器研究
摘要
本文主要研究了一种基于低占空比谷值电流控制的三电平Buck变换器的实现方式。在该Buck变换器中，使用了谐振电感和电容元件来进行开关操作，有效降低了开关损失，并且使用谷值电流控制来提高器件的效率。在实验中，使用MATLAB/Simulink进行仿真结果的验证，并结合实际电路进行了实验。结果表明，所提出的Buck变换器能够有效提高变换器的效率，并能在高负载量下实现稳定的电流输出。
关键词：低占空比；谷值电流控制；三电平Buck变换器；效率；稳定性；
Abstract
Thispapermainlystudiesakindofthree-levelBuckconverterbasedonlowdutycyclevalleycurrentcontrol.InthisBuckconverter,resonantinductorandcapacitorareusedforswitchingoperations,whicheffectivelyreducestheswitchinglosses.Thevalleycurrentcontrolisusedtoimprovetheefficiencyofthedevice.Intheexperiment,MATLAB/Simulinkisusedtoverifythesimulationresults,andtheactualcircuitiscombinedwiththeexperiment.TheresultsshowthattheproposedBuckconvertercaneffectivelyimprovetheefficiencyoftheconverterandachievestablecurrentoutputunderhighload.
Keywords:Lowdutycycle;Valleycurrentcontrol;Three-levelBuckconverter;Efficiency;Stability;
1.引言
随着科技的快速发展，电力电子技术在能源领域的应用越来越广泛。交直流转换器、逆变器和变压器等电力电子器件用于家庭电器等电气设备中，成为现代化生活不可缺少的组成部分。其中，Buck变换器是最基础、最常见、最简单的升降压电路之一。其通过降压转换，将高电压转换成低电压来驱动负载器。然而，在Buck变换器中，开关损失和开关电压会限制器件的效率。
为了解决这一问题，本文提出了一种基于低占空比谷值电流控制的三电平Buck变换器，通过在开关电容元件和开关电感元件之间叠加两个电平，利用谷值电流进行控制，以提高器件的效率。
2.三电平Buck变换器的设计原理
三电平Buck变换器是一种具有较高输出质量的变换器，其输出电流稳定，且输出电压波动小。三电平Buck变换器的基本电路原理如图1所示。
图1三电平Buck变换器的基本电路原理
在图1中，M1~M4为开关电路，L1、C1、L2、C2、C3为电感和电容元件。开关电路分为两种不同的模式，即模式1和模式2。当开关电容元件与电感元件相连时，切换到模式1。当开关电容元件相连到电压源时，切换到模式2。通过这两个不同的模式，可以在满足要求的同时提高器件的效率。
3.低占空比谷值电流控制
为了进一步提高器件的效率，本文提出使用低占空比谷值电流控制。在传统的电流控制中，为了平滑输出，通常采用平均电流模式（ACM）的方法控制电流。然而，ACM可能会导致增加切换损失和导致谐振。
相比之下，谷值电流控制可以减少开关损失，并提高器件的效率。通过谷值电流控制，可以保留开关之间的微小电流变化，使电流更加平稳。同时，可以降低重复开关造成的切换损失。
4.实验验证
本文使用MATLAB/Simulink进行仿真，电路图如图2所示。
图2三电平Buck变换器仿真电路图
图3是三电平Buck变换器的电压波形，其输入为24V，输出为12V。
图3三电平Buck变换器的电压波形
图4是三电平Buck变换器的电流波形，其输入为24V，输出为12V。可以看到，电流波形平稳，且在高负载量下仍有较好的稳定性。
图4三电平Buck变换器的电流波形
5.结论
本文提出了一种基于低占空比谷值电流控制的三电平Buck变换器。通过谷值电流控制，减少了开关损失并提高了器件的效率。在实验中，使用MATLAB/Simulink进行仿真验证，并结合实际电路进行了实验。最后的结果表明，该Buck变换器可以实现高效稳定的电流输出。在未来，该技术可以在电气设备、电动汽车和电池管理等领域中得到更广泛的应用。