电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:521

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