第1章 绪论
随着电子技术的飞速发展，电子设备与人们的生活、工作息息相关，而所有的电子设备都离不开可靠的电源，相对于传统的线性电源，开关电源因具有体积小、重量轻和效率高等优点而得到了越来越广泛的应用[1-4]。20世纪80年代，计算机电源全面实现了开关电源化。90年代，开关电源相继进入通信、电力设备、医疗设备、工控设备、程控交换机、安防监控等领域，开关电源的广泛应用推动了高新技术产品向小型化、轻便化方面发展。
三态开关变换器消除了电感电流连续导电模式(continuous conduction mode， CCM)下Boost类和Buck-Boost类变换器的右半平面(right half plane， RHP)零点，增加了变换器的带宽，具有更快的负载瞬态性能；与工作于电感电流断续导电模式(discontinuous conduction mode， DCM)下的开关变换器相比，三态开关变换器的续流阶段电流不为零，提高了变换器的带载能力。此外，三态开关变换器存在三个状态，易解耦，抗交叉影响能力强，在DC-DC变换器和功率因数校正(power factor correction， PFC)等诸多领域得到了应用[1-14]。因此，对三态开关变换器进行研究分析具有重要的理论意义和实用价值。
本章研究分析开关变换器工作模式，主要包括电感电流CCM、电感电流DCM、电感电流临界导电模式(boundary conduction mode， BCM)、电感电流伪连续导电模式(pseudo continuous conduction mode， PCCM)；对三态进行重新定义，根据第三个状态在一个开关周期/工作周期不为零分为电感电流开关周期三态、电感电流工作周期三态，同时根据对偶原理，得出电容电压开关周期三态；对三态开关变换器研究现状包括电路拓扑研究现状和控制策略研究现状进行总结分类；研究分析三态开关变换器的应用价值。
1.1 开关变换器工作模式
1.1.1 电感电流连续导电模式
开关电源通过控制功率开关管的导通与关断达到调节输出电压的目的，满足负载的用电需求。一般来说，通过判断开关管关断期间电感电流是否下降为零，可将开关变换器的工作模式分为连续导电模式(CCM)和断续导电模式(DCM)[15]。开关变换器工作于CCM的电感电流波形如图1.1所示，其中为IL平均电感电流，iLP为电感电流峰值，ΔiL为电感电流纹波，Ton为开关管导通时间，Toff为开关管关断时间，T为开关周期。
图1.1 开关变换器工作于CCM的电感电流波形
由图1.1可知，工作于CCM时，开关变换器在一个开关周期内有两种工作状态，即电感电流上升(充电)和下降(放电)，并且上升和下降幅度相等，电感电流在一个开关周期内恒大于零，CCM的电感电流峰值iLP和纹波小，且电感的取值大，适用于负载功率较大的应用场合，但同时变换器对输入电压或跳变的瞬态响应速度较慢。此外，开关变换器工作于CCM时，控制系统设计较为复杂。以Boost变换器为例，CCM Boost变换器控制到输出的传递函数存在右半平面零点，当负载变化时，右半平面零点在S域复平面上移动，增加了控制系统闭环设计的复杂性，导致变换器的工作带宽仅为开关频率的1/30[16]。
1.1.2 电感电流断续导电模式
在相同平均电感电流的前提下，开关变换器工作于DCM的电感电流波形如图1.2所示。
图1.2 开关变换器工作于DCM的电感电流波形
由图1.2可知，工作于DCM时，开关变换器在一个开关周期内有三种工作状态，即电感电流上升(充电)、下降(放电)，然后下降到零并保持。与图1.1开关变换器工作于CCM的电感电流波形相比，DCM具有较大的电感电流峰值iLP，将会导致开关管承受的电流应力增大，影响DCM开关变换器的带载能力。此外，工作于DCM的变换器虽然没有右半平面零点，但在每个开关周期内有一段时间电感电流为零，电感储能有限且电感的取值较小，限制了变换器的输出功率，因此DCM适用于负载功率较小的应用场合[16-18]。
1.1.3 电感电流临界导电模式
BCM[19]是一种介于CCM和DCM之间的工作模式，工作于BCM的电感电流波形如图1.3所示，其电感电流在开关管关断结束时刻刚好下降为零。BCM用于功率因数校正变换器，具有控制方法简单、不存在二极管反向恢复等优势，但其开关频率是变化的，尤其是轻载时，开关频率很高，将会引起较大的开关损耗。
图1.3 开关变换器工作于BCM的电感电流波形
1.1.4 电感电流伪连续导电模式
针对DCM和CCM存在的问题，国内外学者提出一种三态PCCM[20-25]，与DCM一样，PCCM在一个开关周期T内存在三种工作状态，不同的是PCCM的第三种工作状态电感电流不为零。另外，PCCM第三种工作状态不为零可以是在一个开关周期，也可以是在一个工作周期，因此将电感电流三态分为电感电流开关周期三态和电感电流工作周期三态。
1. 电感电流开关周期三态
电感电流开关周期三态主要针对单输入单输出开关变换器。图1.4为不同工作模式下的电感电流波形，可以清楚直接地看到PCCM是一种介于CCM和DCM之间的工作模式，
图1.4 不同工作模式下的电感电流波形
在电感电流平均值IL相同的情况下，PCCM电感电流峰值iLP_PCCM和纹波ΔiL_PCCM都介于CCM与DCM之间，它不同于DCM的零电感电流状态，其电感电流在任意时刻均大于零；也不同于CCM的电感电流充放电过程连续，PCCM在每个开关周期结束前存在一段电感电流保持不变的时间，直到下个开关周期开始，即电感电流的充放电过程并不连续。因此，PCCM结合了CCM与DCM的优点，可以在提高开关变换器对负载突变的瞬态响应速度的同时拓宽开关变换器的功率范围[26，27]。
2. 电感电流工作周期三态
电感电流工作周期三态主要针对多端口变换器。对于脉冲负载三端口变换器，通常采用双向变换器进行功率解耦，以此平衡前级供电系统与脉冲负载的瞬时功率差，其主要工作原理为：当负载处于轻载时，前级输出功率一部分供给负载，剩余的功率通过变换器流入储能电容，给电容充电；负载处于重载时，存储在电容内的能量与前级系统输出功率共同为负载提供功率，能量流动由传统的单向变为双向，因此对于三态双向变换器的研究应包括能量流动的整个工作周期，因此提出电感电流工作周期三态，其工作波形如图1.5所示。
图1.5 电感电流工作周期三态工作波形
1.1.5 电容电压三态工作模式
针对电感电流开关周期三态，根据对偶原理，提出电容电压三态工作模式：通过在中间储能电容(过渡电容)上串联一个开关管，使中间储能电容电压在一个开关周期内存在三个工作状态，进而使得以电容进行储能变换的开关变换器工作于PCCM[9]，其工作波形如图1.6所示。
图1.6 电容电压三态工作波形
在上述工作模式中，几个工作模式都出现了三态，即电感电流三态和电容电压三态，因此本书主要介绍电感电流开关周期三态、电感电流工作周期三态和电容电压三态。
1.2 三态开关变换器研究现状
1.2.1 电路拓扑研究现状
电感电流PCCM的实现方式有多种，通常在开关变换器的电感两端并联一个开关管和一个二极管，组成电感电流的续流回路[28]。国内外学者对三态开关变换器电路拓扑进行了较多研究，本节将其整理并进行分类，主要包括单输入单输出三态开关变换器、多端口三态开关变换器、三态PFC变换器。
1. 单输入单输出三态开关变换器
单输入单输出三态开关变换器主要包括Buck变换器、Boost变换器、二次型Boost变换器、升降压变换器(Buck-Boost变换器、Flyback变换器、Cuk变换器)、交错并联DC-DC变换器等[9， 26， 28-31]。文献[14]提出了如图1.7(a)所示的三态Buck变换器，文献[21]和[22]提出了如图1.7(b)所示的三态Boost变换器，其他拓扑将在后文详细研究分析。
图1.7 三态开关变换器拓扑
2. 多端口三态开关变换器
关于多端口三态开关变换器[32]，本小节主要研究脉冲负载三端口中双向DC-DC变换器拓扑现状。常见的非隔离型单向变换器有Buck、Boost、Buck-Boost、SEPIC、Cuk、Zeta六种，将这六种基本结构中的二极管均换成开关管，即构成非隔离型双向变换器，其中双向Buck-Boost变换器拓扑1如图1.8(a)所示，双向Buck-Boost变换器拓扑2如图1.8(b)所示，其他拓扑类推；常见的隔离型双向变换器有隔离型正激式双向变换器、隔离型反激式双向变换器、隔离型半桥双向变换器、隔离型全桥双向变换器几种[33]，隔离型反激式双向变换器拓扑如图1.9所示；文献[34]提出两电感双向Buck-Boost变换器，拓扑如图1.10所示，通过储能电容提供脉冲负载所需功率，实现功率解耦并减小脉冲负载对前级供电系统输出电压稳定性的影响。
图1.8 非隔离型双向Buck-Boost变换器拓扑
图1.9 隔离型反激式双向变换器拓扑
图1.10 两电感双向Buck-Boost变换器拓扑
3. 三态PFC变换器
Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta和SEPIC这六种变换器均可以作为有源PFC技术的拓扑[6， 35， 36]，其中前三种变换器为基本拓扑，后三种变换器均可通过前三种变换器
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