電壓雙象限Buck-Boost電路拓撲及分析

摘要：在傳統全橋電路的基礎上利用單象限電路研究新的電路，達到拓寬現有電路拓撲應用領(lǐng)域的目的。介紹了電壓雙象限Buck，Boost，Buck/Boost電路以及對他們的開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷和開(kāi)通的分析。

關(guān)鍵詞：變換器；拓撲；雙象限；電壓控制

引言

在直流變換中不產(chǎn)生電能形式變化，只產(chǎn)生直流電參數的變化。DC/DC變換器具有成本低、重量輕、可靠性高、結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此，在工業(yè)領(lǐng)域和實(shí)驗室得到了廣泛應用。單象限直流電壓變換器電路的特點(diǎn)是輸出電壓平均值Uo跟隨占空比D值而變，但不管D為何值，Uo的極性則始終不變，這對于直流開(kāi)關(guān)穩壓電源一類(lèi)的應用場(chǎng)所是能夠滿(mǎn)足要求的。但對于直流調速電源，負載為直流電動(dòng)機時(shí)，上述性能便不能滿(mǎn)足要求，因而發(fā)展了多象限直流電壓變換電路。

雙象限電路分為輸出電流平均值Io極性可變的電路與輸出電壓平均值Uo極性可變的電路兩類(lèi)，通常前一種電路稱(chēng)為電流雙象限電路，后一種電路稱(chēng)為電壓雙象限電路。電流雙象限電路是指輸出電流平均值Io的幅值和極性均隨控制信號us而變化，但輸出電壓平均值Uo的極性卻始終為正，即電路可運行于第一和第二象限。電壓雙象限電路是指輸出電壓平均值Uo的幅值和極性均隨控制信號us而變化，但輸出電流平均值Io卻始終為正，即電路可運行于第一和第四象限。本文將對電壓雙象限Buck?Boost電路進(jìn)行分析。

1 Buck電路

1.1 電路結構

主電路如圖1所示。用電感、內阻和等效電壓串聯(lián)電路表示有源負載，橋的直流輸入端并聯(lián)濾波電容。這是一個(gè)全橋電路結構，橋的每臂用全控型器件（S1，S2）和不控型器件（D1，D2）組成。S1及S2的控制采用PWM控制，這樣可以調節D值，并且及時(shí)檢測負載的運行狀況，由此控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷和開(kāi)通。此電路的元器件、電源、負載均假設為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續，且線(xiàn)性升降。

1.2 工作原理

1.2.1 運行于第一象限

這是指輸出端電壓平均值和電流平均值均為正的工作狀態(tài)。

（0≤t≤DT） S1及S2均導通，等效電路如

圖2(a)所示，輸出電壓Uo為Ud，輸入電流等于輸出電流，輸出電流線(xiàn)性增長(cháng)，負載從電源吸取能量。

(DT≤t≤T) S1導通，S2斷開(kāi)，D1正偏續流，等效電路如圖2(b)所示，由于S1與D1導通，Uo的值為零。

輸出電壓平均值為 Uo=DUd

1.2.2 運行于第四象限

這是指輸出端電壓平均值為負而電流平均值為正的工作狀態(tài)。當電路負載為電動(dòng)機且驅動(dòng)位能性負載，如卷?yè)P機的提升機構，當放下重物時(shí)，電機在重物作用下反轉，電樞感應電勢反向，電磁轉矩成為制動(dòng)轉矩，為了保證安全，必須改變控制信號的極性和幅值，使電路工作于第四象限，將位能經(jīng)過(guò)變換電路反饋到直流電源。具體工作過(guò)程如下。

(DT≤t≤T)S1及S2均斷開(kāi)，電感端電壓反向，D1，D2正偏導通，等效電路如圖3(a)所示，輸出電壓Uo為－Ud，負載反饋能量。

（0≤t≤DT）S1斷開(kāi)，S2導通，負載電流由D2換到S2中。等效電路如圖3(b)所示，Uo的值為零。

輸出電壓平均值為 Uo=－DUd

由以上分析可知此電路及其控制策略可以實(shí)現雙象限Buck電路功能。

2 Boost電路

2.1 電路結構

主電路如圖4所示。圖中S1，S2，S3為全控型器件，D1及D2為不控型器件。負載依然為有源負載，直流輸入端串聯(lián)電感。S1，S2，S3的控制采用PWM控制，此電路的元器件、電源、負載同樣假設為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續，且線(xiàn)性升降?？梢钥闯?，本電路的設計思想也是利用全橋實(shí)現雙象限運行，其好處在于簡(jiǎn)單、可靠。

2.2 工作原理

2.2.1 運行于第一象限

(DT≤t≤T)S1斷開(kāi)，S2及S3均導通，等效電路如圖5(a)所示，電感電壓UL=Ud－Uo。

0≤t≤DT）S1，S2，S3均導通，等效電路如圖5(b)所示，電感電壓UL=Ud。

輸出電壓平均值為 Uo=Ud/（1－D）

2.2.2運行于第四象限

(DT≤t≤T) S1，S2，S3均斷開(kāi)，電感端電壓反向，D1及D2正偏導通，等效電路如圖6(a)所示，電感電壓UL=Ud＋Uo。

（0≤t≤DT） S1導通，S2及S3均斷開(kāi)，等效電路如圖6(b)所示，電感電壓UL=Ud。

輸出電壓平均值為 Uo=－Ud/（1－D）

3 Buck-Boost電路

3.1電路結構

主電路如圖7所示。圖中S0，S1，S2，S3，S4為全控型器件。負載依然為有源負載，直流輸入端并聯(lián)電感Lo。所有開(kāi)關(guān)均采用PWM控制，此電路的元器件、電源、負載同樣假設為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續，且線(xiàn)性升降。此電路與雙象限Boost電路不同之處是主開(kāi)關(guān)與電感相互交換位置。也是利用單象限Buck?Boost電路的主電路衍生出來(lái)的，并利用全橋全控電路實(shí)現雙象限功能。改變占空比D可以實(shí)現升壓或降壓功能。

3.2 工作原理

3.2.1 運行于第一象限

（0≤t≤DT） S0，S1，S2均導通，S3及S4斷開(kāi)，等效電路如圖8(a)所示，電感電壓UL=Ud。

(DT≤t≤T) S0，S1及S3斷開(kāi)，S2及S4導通，等效電路如圖8(b)所示，電感電壓UL=－Uo。

3.2.2 運行于第四象限

(DT≤t≤T) S0，S2，S4斷開(kāi)，S1及S3導通，電感端電壓反向，等效電路如圖9(a)所示，電感電壓UL=Uo。

（0≤t≤DT）S0，S3，S4導通，S1及S2斷開(kāi)，等效電路如圖9(b)所示，電感電壓UL=Ud。

輸出電壓平均值為Uo=-DUd/(1-D)

4 結束

本文在傳統的單象限Buck、Boost、Buck-Boost電路的基本上衍生了雙象限的Buck、Boost、Buck-Boost電路，并且分析了其具體的工作過(guò)程。本文的分析為雙象限電路及直流變換電路的研究提供了新的思路。