電壓雙象限Buck-Boost電路拓撲及分析

摘要：在傳統(tǒng)全橋電路的基礎(chǔ)上利用單象限電路研究新的電路，達到拓寬現(xiàn)有電路拓撲應(yīng)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關(guān)器件關(guān)斷和開通的分析。

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(shù)的變化。DC/DC變換器具有成本低、重量輕、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因此，在工業(yè)領(lǐng)域和實驗室得到了廣泛應(yīng)用。單象限直流電壓變換器電路的特點是輸出電壓平均值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，這對于直流開關(guān)穩(wěn)壓電源一類的應(yīng)用場所是能夠滿足要求的。但對于直流調(diào)速電源，負載為直流電動機時，上述性能便不能滿足要求，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，通常前一種電路稱為電流雙象限電路，后一種電路稱為電壓雙象限電路。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電路進行分析。

1 Buck電路

1.1 電路結(jié)構(gòu)

主電路如圖1所示。用電感、內(nèi)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。這是一個全橋電路結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)D值，并且及時檢測負載的運行狀況，由此控制開關(guān)的關(guān)斷和開通。此電路的元器件、電源、負載均假設(shè)為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續(xù)，且線性升降。

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(dǎo)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，輸出電流線性增長，負載從電源吸取能量。

(DT≤t≤T) S1導(dǎo)通，S2斷開，D1正偏續(xù)流，等效電路如圖2(b)所示，由于S1與D1導(dǎo)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)。當電路負載為電動機且驅(qū)動位能性負載，如卷揚機的提升機構(gòu)，當放下重物時，電機在重物作用下反轉(zhuǎn)，電樞感應(yīng)電勢反向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)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)過變換電路反饋到直流電源。具體工作過程如下。

(DT≤t≤T)S1及S2均斷開，電感端電壓反向，D1，D2正偏導(dǎo)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，S2導(dǎo)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現(xiàn)雙象限Buck電路功能。

2 Boost電路

2.1 電路結(jié)構(gòu)

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(shè)為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續(xù)，且線性升降。可以看出，本電路的設(shè)計思想也是利用全橋?qū)崿F(xiàn)雙象限運行，其好處在于簡單、可靠。

2.2 工作原理

2.2.1 運行于第一象限

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

（0≤t≤DT） S1導(dǎo)通，S2及S3均斷開，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(jié)構(gòu)

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。所有開關(guān)均采用PWM控制，此電路的元器件、電源、負載同樣假設(shè)為理想的。輸出濾波電感足夠大，可保證負載電流連續(xù)，且線性升降。此電路與雙象限Boost電路不同之處是主開關(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的，并利用全橋全控電路實現(xiàn)雙象限功能。改變占空比D可以實現(xiàn)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(dǎo)通，S3及S4斷開，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，S2及S4導(dǎo)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，S1及S3導(dǎo)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(dǎo)通，S1及S2斷開，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(jié)束

本文在傳統(tǒng)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。