多电平 DC/DC 变换器拓扑

Meynard Ch.2 系统分类了多电平 DC/DC 变换器的拓扑族。从串联连接（飞电容）到并联连接（交错并联+ICT）再到串并联组合，建立了完整的多单元变换器拓扑体系。核心设计变量为串联单元数 $n_{S}$ 和并联单元数 $n_{P}$ 。

1. 串联连接（Series Connection）

1.1 隔离源直接串联

最简单的多电平构造：将多个标准两电平换流单元串联。

优点：

各电压源可不等值
各单元功率可不同
占空比和开关频率可独立设置

限制：

DC/DC 变换器中电流始终为正 → 每个模块提供有功功率 → 不能用电容替代电压源
需要独立隔离 DC 源（电池、超级电容、燃料电池）

两种应用场景：

独立低压源串联：电池/超级电容组需串联达到高压
单源生成隔离源组：通过隔离变压器，但成本高、复杂度高

1.2 飞电容变换器（Flying Capacitor Converter）

核心思想：用飞电容替代部分电压源。

从两个隔离源串联的 buck 拓扑出发：

上源 $2 V$ ，两个下源各 $V$
通过功率平衡分析，发现下源平均功率可归零
零功率源 → 可用简单电容替代

飞电容 buck 拓扑：

$n_{S}$ 个换流单元串联
$n_{S} - 1$ 个飞电容，每个电压为 $V_{H V} / n_{S}$
每个开关承受的电压仅为 $V_{H V} / n_{S}$ （而非 $V_{H V}$ ）

通用化：

可扩展到任意 $n_{S}$ 个单元
适用于 DC/DC（半桥）、DC/AC（全桥逆变器）、AC/AC（交流斩波器）
反向阻断器件的串联（电流源逆变器）

关键特性——自然均衡：

飞电容电压在满足非零阻抗条件时自动均衡
详细分析见串联多电平变换器电压均衡

飞电容 vs NPC：飞电容拓扑与中性点钳位（NPC）拓扑是多电平变换器的两大主流方案。飞电容不需要钳位二极管，但需要均衡控制；NPC 结构更简单但二极管数量多。

与已有知识对比：Class-D半桥全桥功率级中的半桥拓扑可视为 $n_{S} = 1$ 的特例。Class-D 中的电平转换电路（Class-D电平转换电路）处理不同参考电位的信号传递，而飞电容拓扑从根本上减少了每个器件的电压应力，使电平转换问题简化。

2. 并联连接（Parallel Connection）

2.1 对偶原理（Duality）

对偶原理允许交换电压和电流的角色（功率不变），系统地从已有拓扑推导其对偶拓扑。

对应规则：

回路 ↔ 节点
电感 ↔ 电容
电阻 ↔ 电导
串联 ↔ 并联
导通（ $v = 0$ ） ↔ 关断（ $i = 0$ ）

示例：3 单元飞电容 buck 的对偶 → 3 单元 boost（并联结构）

对偶拓扑继承原拓扑的所有性质：

交错控制消除 LV 侧电压谐波 → 对偶中消除 HV 侧电流谐波
自然均衡条件 → 对偶条件同样成立

限制：

技术约束不对偶（如铜线电阻 vs 绝缘体电导）
不是所有拓扑都有对偶（需在球面上无交叉绘制）

2.2 星形连接电感的交错并联

使用等值电感的交错并联变换器（比严格对偶拓扑更实用）：

星形连接： $n_{P}$ 个电感共接于一个节点

关键优势：

降低 HV 侧滤波电容的 RMS 电流（继承自对偶性质）
降低 LV 侧电容的电压纹波（新性质）
允许使用更小的电感值

电流纹波分析：

每个电感的纹波较高（相位电流纹波）
公共节点后纹波被 $n_{P}$ 除
高纹波在单元间分配，总电流纹波大幅降低

特殊情况——两单元：

两单元并联可画在球面上无交叉 → 存在对偶
对偶拓扑为浮地串联连接（应用受限）

2.3 InterCell Transformer（ICT）

当单元数超过 3-4 个时，非耦合电感的相位电流纹波成为限制因素。磁耦合可解决此问题。

循环级联型（Cyclic Cascade）

使用两绕组变压器，每对相邻相位耦合
变压器绕组串联 → 通过电路拓扑强制均流
所有电流间接耦合

结构： $n_{P}$ 个两绕组变压器环形连接，每个变压器耦合相位 $k$ 和 $k + 1$

整体型（Monolithic）

所有绕组磁耦合在同一铁芯上
每个绕组施加相同磁势差 → 强制电流相等
耦合更紧密，均流效果更好

相位电流纹波对比：

非耦合电感：相位电流纹波很高（ $\propto V_{H V} / (L \cdot f_{s w})$ ）
耦合绕组：相位电流纹波大幅降低
单元数越多，差异越显著

ICT 在 VRM 中的应用

电压调节模块（Voltage Regulator Module, VRM）：

供电电压 ~1V，电流 100-200A
极快瞬态响应需求（CPU 计算结束 → 功耗瞬间跌落）
ICT 允许极低总电感（ $\propto 1/ n_{P}^{2}$ ）
标准两电平变换器无法满足需求

与已有知识对比：ICT 的磁耦合原理与电流镜基础与Cascode电流镜中的电流匹配概念类似——通过耦合机制强制多个分支电流相等。在 ΔΣ 调制器中，DAC失配问题与旋转选择DWA原理的 DWA 技术也是解决多通道不匹配问题，但采用时域旋转而非磁耦合。

3. 串并联组合（Series-Parallel Connection）

将串联和并联多单元概念组合： $n_{P}$ 个并联支路，每条支路含 $n_{S}$ 个串联单元。

3.1 基本串并联

低压侧磁性元件可为非耦合电感或 ICT
$n_{S}$ 和 $n_{P}$ 可独立选择
设计自由度极大

3.2 两单元串联特殊拓扑

两单元并联换流单元串联
每组 $n_{P}$ 个绕组可磁耦合
上下绕组也可磁耦合 → 绕组电流频率达 $2 \cdot n_{P} \cdot f_{s w}$
2×4 单元拓扑已实现 137 kW

3.3 高变比配置

两个并联换流单元施加不同电压
输出电压异于输入和中间电压
适用于高变比应用
绕组可在组内或组间耦合

4. 拓扑选择决策矩阵

特性	飞电容串联	交错并联（电感）	交错并联（ICT）
适用场景	中压（MV）	大电流（LV）	极大电流（LV）
器件应力	$V_{H V} / n_{S}$	$V_{H V}$	$V_{H V}$
均衡需求	飞电容电压	相位电流	自动（磁耦合）
磁性元件	无	独立电感	ICT
总电感缩放	—	$\propto 1/ n_{P}$	$\propto 1/ n_{P}^{2}$
典型应用	中压驱动	通用 DC-DC	CPU VRM
单元数范围	2-10+	2-4	3-12+

前后关系

前序：多电平变换器基础特性（Ch.1）提供理论基础
后续：PLECS矢量化建模方法（Ch.3）建立仿真模型
交叉：Class-D半桥全桥功率级（功率级拓扑对比）、串联多电平变换器电压均衡（Ch.5 均衡机制）
来源：Meynard Multicell DCDC Converters 深度解析 Ch.2

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