電力電子教學(xué)中隔離型Buck-Boost變換器的講解方法研究

胡雪峰，王 琳，郭 蕊，代國(guó)瑞

（安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

1 引言

隔離型Buck-Boost變換器（Flyback）具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離，升/降壓范圍廣，多路輸出及負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、DVD和充電器等小功率電器的電源中.然而在實(shí)際教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)許多數(shù)學(xué)生對(duì)該電路工作原理的理解相對(duì)困難，而且對(duì)類似電力電子電路結(jié)構(gòu)的把控比較孤立,缺乏系統(tǒng)性.針對(duì)這一問題如何在較少的學(xué)時(shí)內(nèi),高質(zhì)量地完成該節(jié)教學(xué)任務(wù),引起作者在教學(xué)過(guò)程的深入思考.本文探索一種新的講解方法，先給出電路結(jié)構(gòu)的由來(lái)，再將理論教學(xué)與Matlab/Simulink可視化仿真軟件相結(jié)合，講清原理的同時(shí)用虛擬儀器實(shí)時(shí)演示的方法將理論分析直觀化,既增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)性，又能加深學(xué)生對(duì)概念的理解能力，進(jìn)一步提高了理論教學(xué)過(guò)程的效率和課堂的生動(dòng)性,大大改善了教學(xué)效果.

2 隔離型Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)分析

教學(xué)過(guò)程中可以首先明確Buck、Boost和Buck-Boost變換器是三種最基本的DC/DC變換器，是其它變換器的原始結(jié)構(gòu).一般情況下，多數(shù)教材首先安排了非隔離型Buck-Boost變換器的教學(xué)內(nèi)容，由于常規(guī)Buck-Boost變換器僅僅通過(guò)電感向輸出端傳送能量，與基本Buck或Boost變換器的工作原理非常相似，其工作模式（CCM或DCM）的判斷和理解都比較容易.所以本節(jié)講解時(shí)可以首先給出非隔離型Buck-Boost變換器向隔離型Buck-Boost變換器演變的過(guò)程，同時(shí)講解為什么能夠這樣演變，演變后的電路結(jié)構(gòu)具有哪些新的特點(diǎn)？然后再進(jìn)行原理分析，就顯得更為順暢，理解的跨度相對(duì)較小，對(duì)剛接觸功率變換器的學(xué)生來(lái)講更容易接受.

2.1 隔離型Buck-Boost變換器的由來(lái)

常規(guī)的非隔離型Buck-Boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，通過(guò)開關(guān)的開通和關(guān)斷在電感的兩端產(chǎn)生脈沖電壓，這個(gè)脈沖電壓在不同的時(shí)間間隔，擔(dān)負(fù)著不同的功能.當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)電感儲(chǔ)能，輸出電容向負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感向負(fù)載端釋放能量，為電感磁復(fù)位，如果將該電感分解為同一磁芯的耦合電感，即可用變壓器器件代替該獨(dú)立電感.接著引出如何能夠?qū)崿F(xiàn)與電感一樣的流通路徑和效果？如果在變壓器同一時(shí)刻傳輸能量，則可稱為Forward變換器,該變壓器就是通常意義上只有傳輸功能的兩端口器件；如果在不同時(shí)刻傳輸能量，則可構(gòu)造出隔離型Buck-Boost變換器，也稱為Flyback變換器，演變過(guò)程如圖1所示.此時(shí)的變壓器應(yīng)具有儲(chǔ)存能量的作用.

圖1 隔離型Buck-Boost變換器的演變過(guò)程

2.2 具有儲(chǔ)能作用的變壓器模型分析

如果不考慮漏磁通,普通變壓器的原理結(jié)構(gòu)圖和磁路模型如圖2所示,原副邊繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)分別為:

圖2 變壓器的原理結(jié)構(gòu)圖和磁路模型

因此主磁路的總磁動(dòng)勢(shì)為:

其中Rm為主磁路的磁阻,Φm1為原邊產(chǎn)生且與副邊匝鏈的磁通,Φm2為副邊產(chǎn)生且與原邊匝鏈的磁通,Φm為主磁路中的總磁通在理想變壓器中,由于磁芯的磁導(dǎo)率為無(wú)窮大,所以磁阻近似為零.由式（2）得：

由法拉第電磁感應(yīng)定律得：

由式（3）和（4）可以理想變壓器的電路等效模型如圖3(a)所示.

圖3 變壓器的電路等效模型

由于在實(shí)際應(yīng)用中磁芯的磁阻不可能為零,綜合式(2)和(4)得:

如果令

由式（6）可以畫出考慮磁阻時(shí)，變壓器的等效電路模型如圖3(b)所示.以下將結(jié)合變壓器的等效電路模型進(jìn)行原理分析.采用變壓器等效電路模型方法簡(jiǎn)單和物理意義明確，學(xué)生易于接受,而且還可拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)思路,取得很好的教學(xué)效果.

3 CCM模式下變換器的工作原理分析

以圖3（a）所示的反激變壓器等效電路對(duì)圖1（d）所示隔離型Buck-Boost變換器進(jìn)行講解.當(dāng)主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量會(huì)儲(chǔ)存在磁芯中；當(dāng)其變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時(shí)，能量會(huì)轉(zhuǎn)移到輸出端，若能量沒有完全轉(zhuǎn)移，即在開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)還有能量?jī)?chǔ)存在變壓器中（表現(xiàn)為磁通不為零），就稱變換器工作在連續(xù)模式（CCM）或不完全能量轉(zhuǎn)移模式.反之，如果在開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí)已經(jīng)沒有能量?jī)?chǔ)存在變壓器中（表現(xiàn)為磁通為零），就稱變換器工作在斷續(xù)模式（DCM）或完全能量轉(zhuǎn)移模式.圖4是變換器工作在CCM模式下的等效電路.

圖4 CCM模式下變換器的等效電路

首先利用同學(xué)們熟知的電路理論推導(dǎo)輸出與輸入電壓的關(guān)系.當(dāng)主開關(guān)管S導(dǎo)通（0≤t≤DT），一次繞組兩端的電壓為：

流過(guò)一次繞組的電流為：

當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷后，二次繞組兩端的電壓和流經(jīng)二次繞組的電流為：

綜合公式（7）～（10），可以得到輸出與輸入電壓之間的關(guān)系式為：

圖5 CCM模式變換器的主要工作波形

電路的主要工作波形如圖5所示.接下來(lái)，利用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)該變換器進(jìn)行仿真演示(限于篇幅，圖形省略)，主要包括軟件的使用方法，變換器模型的建立，參數(shù)的設(shè)置及修改，閉環(huán)控制原理及閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)方法等，讓同學(xué)們有更為直觀的認(rèn)識(shí).為將來(lái)的實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ).

4 互動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

為了發(fā)揮學(xué)生的主體作用，關(guān)于變換器的完全能量轉(zhuǎn)移模式，留給同學(xué)們獨(dú)立分析.以5至6位同學(xué)為一組將班級(jí)分成若干組別，要求每一組結(jié)合仿真軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，然后在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行討論，對(duì)比非隔離型變換器的工作模式，比較它們的異同點(diǎn)，再利用電力電子教材中常用的伏秒平衡原理推導(dǎo)輸入與輸出電壓之間的關(guān)系，以增強(qiáng)學(xué)生在課堂中的參與程度，調(diào)動(dòng)其積極性.

5 結(jié)論

本文詳細(xì)地分析了隔離型Buck-Boost變換器的構(gòu)造方法及隔離變壓器的等效電路結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步講解變換器的工作原理，同時(shí)結(jié)合仿真軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)演示，理論分析的同時(shí)又增強(qiáng)了同學(xué)們的直觀認(rèn)識(shí)程度，另外合理的安排同學(xué)們獨(dú)立分析和仿真的內(nèi)容，然后進(jìn)行討論和互動(dòng)，使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過(guò)程中，讓教與學(xué)緊密相結(jié)合.多次講授結(jié)果表明這種講解方法自然流暢，且有利于開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)和思維能力，能夠取得積極的課堂效果.

〔1〕丁道宏.電力電子技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1999.

〔2〕王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

〔3〕陳堅(jiān).電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.