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電壓雙象限Buck-Boost電路拓撲及分析

時間:2023-02-21 00:14:21 電子通信論文 我要投稿
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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)有電路拓撲應用領域的目的。介紹了電壓雙象限Buck,Boost,Buck/Boost電路以及對他們的開關器件關斷和開通的分析。
  關鍵詞: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、結構簡單等特點,因此,在工業(yè)領域和實驗室得到了廣泛應用。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,這對于直流開關穩(wěn)壓電源一類的應用場所是能夠滿足要求的。但對于直流調速電源,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。
  
  1Buck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(jié)D值,并且及時檢測負載的運行狀況,由此控制開關的關斷和開通。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(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動位能性負載,如卷揚機的提升機構,當放下重物時,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。
  
  2Boost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(xù),且線性升降?梢钥闯,本電路的設計思想也是利用全橋實現(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,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,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)
  
  3Buck-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。所有開關均采用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(xù),且線性升降。此電路與雙象限Boost電路不同之處是主開關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,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(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。

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