电压双象限buck-boost电路拓扑及分析 |
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摘要：在传统全桥电路的基础上利用单象限电路研究新的电路，达到拓宽现有电路拓扑应用领域的目的。介绍了电压双象限Buck，Boost，Buck/Boost电路以及对他们的开关器件关断和开通的分析。 关键词：变换器；拓扑；双象限；电压控制引言在直流变换中不产生电能形式变化，只产生直流电参数的变化。DC/DC变换器具有成本低、重量轻、可靠性高、结构简单等特点，因此，在工业领域和实验室得到了广泛应用。单象限直流电压变换器电路的特点是输出电压平均值Uo跟随占空比D值而变，但不管D为何值，Uo的极性则始终不变，这对于直流开关稳压电源一类的应用场所是能够满足要求的。但对于直流调速电源，负载为直流电动机时，上述性能便不能满足要求，因而发展了多象限直流电压变换电路。
双象限电路分为输出电流平均值Io极性可变的电路与输出电压平均值Uo极性可变的电路两类，通常前一种电路称为电流双象限电路，后一种电路称为电压双象限电路。电流双象限电路是指输出电流平均值Io的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电压平均值Uo的极性却始终为正，即电路可运行于第一和第二象限。电压双象限电路是指输出电压平均值Uo的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电流平均值Io却始终为正，即电路可运行于第一和第四象限。本文将对电压双象限BuckBoost电路进行分析。1 Buck电路1.1 电路结构主电路如图1所示。用电感、内阻和等效电压串联电路表示有源负载，桥的直流输入端并联滤波电容。这是一个全桥电路结构，桥的每臂用全控型器件（S1，S2）和不控型器件（D1，D2）组成。S1及S2的控制采用PWM控制，这样可以调节D值，并且及时检测负载的运行状况，由此控制开关的关断和开通。此电路的元器件、电源、负载均假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。
1.2 工作原理1.2.1 运行于第一象限这是指输出端电压平均值和电流平均值均为正的工作状态。
（0≤t≤DT） S1及S2均导通，等效电路如
图2(a)所示，输出电压Uo为Ud，输入电流等于输出电流，输出电流线性增长，负载从电源吸取能量。(DT≤t≤T) S1导通，S2断开，D1正偏续流，等效电路如图2(b)所示，由于S1与D1导通，Uo的值为零。输出电压平均值为 Uo=DUd1.2.2 运行于第四象限这是指输出端电压平均值为负而电流平均值为正的工作状态。当电路负载为电动机且驱动位能性负载，如卷扬机的提升机构，当放下重物时，电机在重物作用下反转，电枢感应电势反向，电磁转矩成为制动转矩，为了保证安全，必须改变控制信号的极性和幅值，使电路工作于第四象限，将位能经过变换电路反馈到直流电源。具体工作过程如下。
(DT≤t≤T)S1及S2均断开，电感端电压反向，D1，D2正偏导通，等效电路如图3(a)所示，输出电压Uo为－Ud，负载反馈能量。（0≤t≤DT）S1断开，S2导通，负载电流由D2换到S2中。等效电路如图3(b)所示，Uo的值为零。输出电压平均值为 Uo=－DUd由以上分析可知此电路及其控制策略可以实现双象限Buck电路功能。
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2 Boost电路2.1 电路结构主电路如图4所示。图中S1，S2，S3为全控型器件，D1及D2为不控型器件。负载依然为有源负载，直流输入端串联电感。S1，S2，S3的控制采用PWM控制，此电路的元器件、电源、负载同样假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。可以看出，本电路的设计思想也是利用全桥实现双象限运行，其好处在于简单、可靠。
2.2 工作原理2.2.1 运行于第一象限(DT≤t≤T)S1断开，S2及S3均导通，等效电路如图5(a)所示，电感电压UL=Ud－Uo。0≤t≤DT）S1，S2，S3均导通，等效电路如图5(b)所示，电感电压UL=Ud。输出电压平均值为 Uo=Ud/（1－D）
2.2.2运行于第四象限(DT≤t≤T) S1，S2，S3均断开，电感端电压反向，D1及D2正偏导通，等效电路如图6(a)所示，电感电压UL=Ud＋Uo。（0≤t≤DT） S1导通，S2及S3均断开，等效电路如图6(b)所示，电感电压UL=Ud。输出电压平均值为 Uo=－Ud/（1－D）
3 Buck-Boost电路3.1电路结构主电路如图7所示。图中S0，S1，S2，S3，S4为全控型器件。负载依然为有源负载，直流输入端并联电感Lo。所有开关均采用PWM控制，此电路的元器件、电源、负载同样假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。此电路与双象限Boost电路不同之处是主开关与电感相互交换位置。也是利用单象限BuckBoost电路的主电路衍生出来的，并利用全桥全控电路实现双象限功能。改变占空比D可以实现升压或降压功能。
3.2 工作原理3.2.1 运行于第一象限（0≤t≤DT） S0，S1，S2均导通，S3及S4断开，等效电路如图8(a)所示，电感电压UL=Ud。(DT≤t≤T) S0，S1及S3断开，S2及S4导通，等效电路如图8(b)所示，电感电压UL=－Uo。
3.2.2 运行于第四象限(DT≤t≤T) S0，S2，S4断开，S1及S3导通，电感端电压反向，等效电路如图9(a)所示，电感电压UL=Uo。（0≤t≤DT）S0，S3，S4导通，S1及S2断开，等效电路如图9(b)所示，电感电压UL=Ud。输出电压平均值为Uo=-DUd/(1-D)
4 结束本文在传统的单象限Buck、Boost、Buck-Boost电路的基本上衍生了双象限的Buck、Boost、Buck-Boost电路，并且分析了其具体的工作过程。本文的分析为双象限电路及直流变换电路的研究提供了新的思路。
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