电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析

    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Buck?Boost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=DUd

1.2.2 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。

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Buck?Boost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。