电气工程学报, 2020, 15(4): 45-51 doi: 10.11985/2020.04.005

一种新型Buck-Boost变换器 *

房绪鹏,, 綦中明,, 王晴晴, 题晓东

山东科技大学电气与自动化工程学院 青岛 266590

A New Buck-Boost Converter

FANG Xupeng,, QI Zhongming,, WANG Qingqing, TI Xiaodong

College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590

收稿日期: 2020-06-11   修回日期: 2020-11-18   网络出版日期: 2020-12-25

基金资助: * 山东省重点研发计划(公益类).  2019GGX103049
山东省研究生教育质量提升计划项目(优质课程)：现代电力电子技术资助项目.  SDYKC17032

Received: 2020-06-11   Revised: 2020-11-18   Online: 2020-12-25

作者简介 About authors

房绪鹏,男,1971年生,博士,教授。主要研究方向为阻抗源变流器及其应用、现代电力电子技术在电力系统、电气传动和新兴能源利用方面的应用等。E-mail： xpfang69@163.com

綦中明,男,1995年生,硕士研究生。主要研究方向为电力电子技术及其应用、模块化多电平技术及应用。E-mail： 742412742@qq.com

摘要

针对传统Buck-Boost变换器的输出电压能力有限,输出稳定性较差以及可调占空比范围不足等问题,提出了一种新型Buck-Boost变换器拓扑,对该变换器的工作原理进行了分析,并推导了该变换器的输出和输入电压关系以及电容的电压应力表达式。与传统Buck-Boost变换器相比,该变换器工作在更合理的占空比范围内,实现了更好的降压效果。仿真的结果验证了理论分析的正确性。试验的结果表明,该新型Buck-Boost变换器是可行的。

关键词： DC-DC变换器 ; 占空比 ; 电路拓扑结构 ; 电压应力

Abstract

For the problems of traditional Buck-Boost converter including limited output voltage and poor stability, and the adjustable duty cycle range is insufficient, a new Buck-Boost converter topology is proposed. The working process of the converter is analyzed, the output-input voltage relationship of the converter and the voltage stress expression of the capacitor are derived. Compared with the traditional Buck-Boost converter, the new converter can achieve better voltage reduction effect when working in a more reasonable duty cycle range. The simulation results verify the correctness of theoretical analysis, and the experimental results show that the new Buck-Boost converter is feasible.

Keywords： DC-DC converter ; duty ratio ; circuit topology ; voltage stress

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本文引用格式

房绪鹏, 綦中明, 王晴晴, 题晓东. 一种新型Buck-Boost变换器 *. 电气工程学报[J], 2020, 15(4): 45-51 doi:10.11985/2020.04.005

FANG Xupeng, QI Zhongming, WANG Qingqing, TI Xiaodong. A New Buck-Boost Converter. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(4): 45-51 doi:10.11985/2020.04.005

1 引言

目前,随着社会科学技术的迅速发展,直流电源系统不断优化改良,被广泛地应用于远程数据通讯、工农业生产的自动化设备、机械仪器仪表、交通运输、航空航天等领域,与我国经济各行各业相关联,应用的要求也愈发的严格[1]。从近年来的发展来看,电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。升压式Boost变换器因具有电路结构简单、输入电流畸变小、电流连续、输出效率高等优点,被广泛地应用在人们的生活生产中,是首要选择的拓扑结构[2,3,4,5]。但由于基本的Boost变换器电路的特性是其输出电压高于输入电压,其应用的场合会受到一定的限制。为了提高变换器的变换能力、可调范围以及效率,本文对传统的Buck-Boost变换器进行了改进,提出了一种新型Buck-Boost变换器电路[6,7,8,9]。该电路拓扑具有结构简单、控制简便、降压能力大、占空比调节范围宽、输出波形质量高等优点。本文分析了该新型Buck-Boost变换器在电感电流连续状态下的工作情况,通过仿真和试验对其可行性进行了验证。

2 变换器工作原理及模态分析

2.1 电路的工作原理

图1为该新型Buck-Boost变换器的主电路拓扑结构图。此电路拓扑结构模型中包含了开关管S1和S2,电感L1、L2和L3,电容C1和C2,以及二极管VD1-VD7。为了使电源在电路中更高效地工作,调节参数使电感L1、L2在电路中的工作电流为连续状态(Discontinuous condution mode,DCM),且电感L3工作在电流临界连续状态(Critical conduction mode,CRM)下[10,11]。

图1

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图1   新型Buck-Boost变换器拓扑


为了使电路更加方便理解和分析,在本文所提出的电路拓扑结构的工作理论分析中作了如下的 假设。

(1) 电路中的电容容量足够大,在电路工作时电容两端电压保持在恒定值;

(2) 电路中所有的元器件都是理想元件,不考虑寄生参数;

(3) 不考虑电路中导线以及电源内阻所产生的损耗[12]。

对电路拓扑结构进行分析,该变换器可以分为2个工作模态,即开关管S1和S2同时导通(工作模态1)以及同时关断(工作模态2)。

2.2 电路工作模式分析

电路中选取了相同规格参数的二极管VD1-VD7,变换器的两种主要工作模态的工作原理等效电路图如图2所示。

图2

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图2   新型Buck-Boost电路工作原理


该新型Buck-Boost变换器的理论工作波形图如图3所示。

图3

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图3   变换器的理论工作波形


在该新型Buck-Boost变换器的拓扑电路理论分析中,开关管S1、S2的开关周期为TS=1/f,f为开关管开关工作的频率,在开关管工作的一个周期内,开关管导通时间为Ton,开关管关断时间为Toff。在开关管导通期间,电感L1、L2和L3流过的电流分别为iL1-on、iL2-on和iL3-on;在开关管关断期间,电感L1、L2和L3流过的电流分别为iL1-off、iL2-off和iL3-off。

(1) 新型Buck-Boost变换器的工作模式1

在工作模式1下,施加驱动信号使两个开关管S1和S2同时导通,直流电源E为电感L1充电以及负载供电,电流iL1线性上升,开关管导通的时间内,电感中的电流上升到最大值iLmax。在此期间,电感中电流的增量为

$\Delta {{i}_{L}}=\frac{U}{L}{{T}_{on}}$

此时二极管VD1、VD3和VD7导通工作,二极管VD2、VD4和VD5因受到反向电压而不导通,电容C1为电感L3以及负载供电,电容C2为电感L2以及负载供电。

于是,可以得出电感上的电流为

$\left\{ \begin{align} & {{i}_{L}}_{_{1}-on}=\frac{E}{{{L}_{1}}}{{T}_{on}} \\ & {{i}_{L}}_{_{2}-on}=\frac{{{U}_{{{C}_{2}}}}-{{U}_{{{C}_{1}}}}}{{{L}_{2}}}{{T}_{on}} \\ & {{i}_{L}}_{_{3}-on}=\frac{{{U}_{{{C}_{1}}}}-{{U}_{0}}}{{{L}_{3}}}{{T}_{on}} \\ \end{align} \right.$

(2) 新型Buck-Boost变换器工作模式2

在工作模式2下,使开关管S1和S2同时关断,此时二极管VD1、VD3和VD7停止工作,二极管VD2为电感L1提供续流通路,电感放电并对电容C1进行充电;二极管VD4和VD5为电感L2提供续流通路,电感放电并为电容C2进行充电;二极管VD6为电感L3提供续流通路,电感放电,电感电流iL3不断下降并为负载供电。开关管关断的时间内,电感中的电流会下降到最小值iLmin。在电容C1和C2容量足够大的情况下,电容两端的电压在电感进行放电的期间会保持基本不变。

由此可以得出开关管关断期间电感的电流为

$\left\{ \begin{align} & {{i}_{L}}_{_{1}-off}=\frac{{{U}_{{{C}_{1}}}}}{{{L}_{1}}}{{T}_{off1}} \\ & {{i}_{L}}_{_{2}-off}=\frac{{{U}_{{{C}_{2}}}}}{{{L}_{2}}}{{T}_{off2}} \\ & {{i}_{L}}_{_{3}-off}=\frac{{{U}_{0}}}{{{L}_{3}}}{{T}_{off3}} \\ \end{align} \right.$

在上面的分析中,使电感L3工作在电流处于临界连续状态下,该电路的输出电流I0和电感L3电流iL3max的关系为

$\Delta {{i}_{L}}_{_{3}\max }=2{{I}_{0}}$

在理想情况下,使电感完全放电的时间与开关管关断的时间相等,由伏安特性平衡及上述公式可以 得出[13]

${{T}_{on}}=\frac{2{{I}_{0}}{{L}_{3}}}{{{U}_{{{C}_{1}}}}-{{U}_{0}}}$
${{T}_{off}}=\frac{2{{I}_{0}}{{L}_{3}}}{{{U}_{0}}}$

于是可以得到开关管的工作周期为

${{T}_{s}}=\frac{2{{I}_{0}}{{L}_{3}}{{U}_{{{C}_{1}}}}}{{{U}_{0}}({{U}_{{{C}_{1}}}}-{{U}_{0}})}$

3 输入输出特性分析

在不考虑电路中的损耗以及电感工作在电流连续情况下,将此电路进行理想化分析,由式(7)可以 得出

$\frac{E}{{{L}_{1}}}D=\frac{{{U}_{{{C}_{1}}}}}{{{L}_{1}}}(1-D)$
$\frac{{{U}_{{{C}_{1}}}}-{{U}_{0}}}{{{L}_{3}}}D=\frac{{{U}_{0}}}{{{L}_{3}}}(1-D)$
$ED=\frac{{{U}_{0}}}{D}(1-D)$

经过分析计算可以得出,电路工作在不同占空比的情况下,输出和输入的电压关系表达式为

$K=\frac{{{U}_{0}}}{E}=\frac{{{D}^{2}}}{1-D}$

由电路中输入输出功率相等的原理,可以得到输入电流与输出电流的关系为

$\frac{{{I}_{0}}}{{{I}_{i}}}=\frac{1-D}{{{D}^{2}}}$

由式(11)可得图4,与传统的Buck-Boost电路拓扑相对比,本电路拓扑结构在相同的占空比条件下,能达到更好的降压效果,占空比宽范围可调,降压占空比D的范围为0~61.8%,相较于传统变换器可调占空比范围0~50%,有较大提升,更有利于电路的实现。

图4

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图4   两种Buck-Boost电路升降压能力对比图(输入输出电压关系)


4 电压应力分析

由上述分析可知,电路中电容两端电压的大小与其工作回路和控制信号的占空比有关,同时也影响了电路中开关管以及二极管器件两端的电压应力。因此,分析电路中的元件的电压应力很有必要。

开关管S1和S2处于导通期间,在此模式下应用基尔霍夫电压定律(Kirchhoff laws, KVL)。可以得到二极管在导通状态下的电压方程为

$\left\{ \begin{align} & E-U{{L}_{1-on}}=0 \\ & {{U}_{C}}_{_{1}}-U{{L}_{3-on}}={{U}_{0}} \\ & {{U}_{C}}_{_{2}}-U{{L}_{2-on}}-U{{L}_{3-on}}={{U}_{0}} \\ \end{align} \right.$

开关管S1和S2处于关断期间,在此模式下应用基尔霍夫电压定律。可以得到二极管在导通状态下的电压方程为

$\left\{ \begin{align} & U{{L}_{1-off}}={{U}_{C}}_{_{1}} \\ & U{{L}_{2-off}}={{U}_{C}}_{_{2}} \\ & U{{L}_{3-off}}={{U}_{0}} \\ \end{align} \right.$

在开关管工作的一个周期T内,D为开关元件导通时占空比,其导通的时间为DT,关断的时间为(1-D)T,该变换器中的电感在一个周期内伏秒平衡。对于电感有

$\left\{ \begin{align} & U{{L}_{1-on}}DT=U{{L}_{1-off}}(1-D)T \\ & U{{L}_{2-on}}DT=U{{L}_{2-off}}(1-D)T \\ & U{{L}_{3-on}}DT=U{{L}_{3-off}}(1-D)T \\ \end{align} \right.$

由式(15)可以得出

${{U}_{{{C}_{1}}}}=\frac{D}{1-D}E$
${{U}_{{{C}_{2}}}}=\frac{{{D}^{2}}}{(2D-1)(1-D)}E$

可以看出,两个电容器的电压应力与开关占空比有关,电容电压仿真波形如图5所示。

图5

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图5   电容电压仿真波形图


5 仿真与试验分析验证

为了进一步验证本电路图1中所示原理图的可行性以及上述理论分析的正确性,在Matlab/ Simulink环境下搭建该电路的仿真电路模型,进行仿真分析,设置的电路中各个元件的参数具体如下：电路输入电压24 V;电感L1的大小为1 000 μH,电感L2的大小为350 μH,电感L3的大小为100 μH;电容C1的大小为100 μF,电容C2的大小为50 μF,输出滤波电容C0的大小为300 μF;调节开关管的导通占空比,并且对电路中开关管工作占空比分别为30%(图6a)、40%(图6b)、50%(图6c)和60%(图6d)进行的仿真分析,此时由式(10)可计算出输出电压的理论值分别为3.08 V、6.4 V、12 V和21.6 V。图6所示的仿真电路工作波形图的结 果表明,该电路输出输入的关系与理论分析一致,图7所示的仿真电路中电感电流仿真波形结果与理论分析一致,输出波形质量好,损耗低,提高了电路的稳定性。

图6

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图6   新型Buck-Boost电路仿真波形


图7

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图7   电感电流仿真波形图


除此外,还在实验室搭建了小功率硬件电路,在电流连续工作模式下进行开环试验验证。试验中电路实物图如图8所示。

图8

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图8   新型Buck-Boost电路试验样机


通过TSM28335开发板来产生控制信号,控制开关管的导通、关断来实现变换器的升降压功能。另外,使用落木源公司生产的DA962D6驱动板电路对控制驱动信号进行功率放大,以便能更好地驱动功率开关管使其导通和关断。在实际电路的试验中,所选择的各个元件以及参数如表1所示;两个开关管选择的是同一类型的IGBT管,型号为H20R12032,其开关频率f为50 kHz,分别在占空比为30%和40%的情况下进行试验验证。

表1   新型Buck-Boost主电路参数

参数名参数值参数名参数值
直流电源 E/V24电阻 R/Ω40
电感1 L1/μH1 000电容1 C1/μF100
电感2 L2/μH330电容2 C2/μF47
电感3 L3/μH100输出滤波电容C0/μF330

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从图9所示的试验结果可以看出,图9a中输出电压大小约为3 V;图9b中电容C1电压大小约为10.15 V,电容C2电压大小约为7.93 V;图9c中输出电压大小约为6.24 V;图9d中电容C1电压大小约为15.73 V, 电容C2电压大小约为31.58 V,由于是在非理想条件下进行的试验,在实际电路的情况下二极管、功率开关管及线路等均带有损耗,该新型Buck-Boost变换器的输出电压与理论值存在一定的误差,但误差在允许范围内,验证了理论分析的正确性与该电路拓扑的可行性。

图9

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图9   新型Buck-Boost电路试验结果


6 结论

本文在传统Buck-Boost变换器的拓扑基础上,提出了一种新型Buck-Boost变换器电路,对其工作原理进行了分析,并对此电路进行了仿真,搭建了实际的电路对该电路模型进行试验验证。通过仿真以及试验的结果可以得到,该新型电路拓扑相较于传统的Buck-Boost电路,能够达到更宽的降压输出电压效果,电路工作在更加合理的占空比下,输出电压与输入电压是同极性,且输出的纹波电压低,输出性能良好。因此,该新型Buck-Boost电路拓扑可以广泛地应用于低输出直流电源领域,对其电路中的电容电感参数进行合理的设计,亦可作为电路的驱动电源加以使用。

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