非隔離型Buck—Boost型變換器分析與研究

袁浩++薛艷靜

摘 要：雙向DC/DC變換器（Bidirectional DC-DC Converter， BDC）作為一種新的形式，已經(jīng)在開關(guān)領(lǐng)域上占據(jù)越來越重要的地位。本文選擇了非隔離型雙向Buck-Boost變換器作為研究對象進(jìn)行重點(diǎn)分析，詳細(xì)介紹了非隔離型雙向Buck-Boost變換器的基本原理以及控制方法。經(jīng)過分析表明，非隔離型雙向Buck-Boost變換器能較好達(dá)到理論分析要求，在之后的電能變換深入研究中具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：BDC；非隔離型雙向Buck-Boost變換器

引言

DC/DC變換器是一種轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC功率變換器的種類很多。它的輸入電路和輸出電路有兩種隔離方式為非隔離型和隔離型。非隔離型雙向DC/DC變換器電路主要有Buck/Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic/Zeta這四種結(jié)構(gòu)；隔離型雙向DC/DC變換器有單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等四種形式。從基本的Buck-Boost型變換器電路拓?fù)淇梢匝莼⑴缮鲆幌盗杏糜诓煌娔茏儞Q的電路結(jié)構(gòu)和拓?fù)洌瑢τ陔娏﹄娮油負(fù)涞难芯烤哂袇⒖純r(jià)值。

1非隔離型雙向Buck-Boost變換器的主電路分析

1.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

非隔離型雙向Buck-Boost變換器由Buck變換器衍化而來的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雙向DC/DC變換器拓?fù)潆娐芳丛诰w管Q上反并聯(lián)二極管D，在二極管D上反并聯(lián)晶體管Q。兩個(gè)開關(guān)管處于互補(bǔ)互通的狀態(tài)，當(dāng)能量從V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1為電源端，則該變換器為Buck變換器；當(dāng)能量從V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2為電源端，則該變換器為Boost變換器。若為第三種情況，即兩側(cè)都有電源時(shí)，此時(shí)能量流動方式的判斷方式是比較兩電源電壓大小以及占空比大小。為了避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算電感L的大小，由此得出相應(yīng)的死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，并避免了二極管的反向恢復(fù)問題。非隔離型雙向Buck-Boost變換器模型如圖1所示。

圖1 非隔離型雙向Buck-Boost主電路拓?fù)淠Ｐ?/p>

1.2 主電路開關(guān)管的選擇及其參數(shù)設(shè)計(jì)

功率開關(guān)管在控制信號處于高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，同時(shí)流過大電流并具有很小的壓降；當(dāng)控制信號處于低電平時(shí)，開關(guān)管截止關(guān)斷，同時(shí)承受大電壓，而且?guī)缀醪煌ㄟ^電流。

功率晶體管分為兩大類：雙極型功率晶體管（電流控制型）和場控晶體管（電壓控制型），場控器件分為：MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）和MOS控制晶閘管（MCT）。

本文采用 MOSFET 作為開關(guān)管，MOSFET是一種單極型晶體管，利用電場效應(yīng)來控制漏極電流的大小的半導(dǎo)體器件。當(dāng)柵源極之間的電壓VGS小于開啟電壓VTN時(shí)，不論電壓極性如何，兩個(gè)PN結(jié)中始終有一個(gè)是反向偏置的，漏極電流幾乎為零，此時(shí)MOSFET 不導(dǎo)通；當(dāng)柵源極之間的電壓VGS大于開啟電壓VTN時(shí)，漏源極之間形成溝道，由于溝道的電阻小，故在漏源正電壓VGS作用下，半導(dǎo)體表明產(chǎn)生電場，電子從源極流向漏極，即為MOSFET的正向?qū)щ娞匦浴?/p>

1.3 雙向Buck-Boost變換器的電壓紋波計(jì)算處理

在對雙向Buck-Boost進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其輸出紋波遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值。由于開關(guān)器件導(dǎo)通瞬間受寄生參數(shù)影響產(chǎn)生的電壓振蕩、輸出濾波電容等效串聯(lián)電阻產(chǎn)生的差模干擾導(dǎo)致了電壓紋波過大，因此必須對雙向Buck-Boost變換器的紋波處理來抑制。

對于電壓振蕩可采取并聯(lián)電壓緩沖電路、串聯(lián)電流緩沖電路等抑制措施。

1）并聯(lián)電壓緩沖電路

電壓振蕩發(fā)生的主要原因是線路及器件的寄生電感產(chǎn)生的尖峰，一般采用并聯(lián)RC吸收電路來有效抑制電壓振蕩現(xiàn)象，吸收寄生電感產(chǎn)生的電壓尖峰。對于并聯(lián)RC吸收電路參數(shù)選取應(yīng)考慮吸收電容C每個(gè)周期存儲的能量在R上消耗，電容C的取值要適中，過大增加了電路損耗，過小會影響到吸收效果；在R的選取上，為確保C上電荷在Q1斷開時(shí)間Toff內(nèi)基本完成放電，應(yīng)保證，此外R依據(jù)阻尼振蕩的原理選擇在 LC

附近，以此達(dá)到最好的效果。

2） 串聯(lián)電流緩沖電路

二極管的反向電流是電壓振蕩的另一個(gè)原因，抑制二極管的反向電流可利用串聯(lián)飽和電感，如圖2所示。

抑制電路運(yùn)行在Buck方式下，電路原理圖串聯(lián)的飽和電感LS即為抑制串聯(lián)飽和電流的。當(dāng)Q1斷開時(shí)，電感LS流過電流Ioff而處于飽和狀態(tài)，不起作用。Q1導(dǎo)通瞬間，D2突然加上一個(gè)反向電壓，A2B2支路正向電流急劇下降，并有產(chǎn)生瞬間反向電流的趨勢，電感LS此時(shí)退飽和轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)大感性，由于大電感可有抑制電流突變，因此二極管反向恢復(fù)電流得到抑制。本文實(shí)驗(yàn)中選用的飽和電感為鐵氧體磁芯。

2 結(jié)束語

DC/DC變換器的發(fā)展正趨于高頻率、高功率密度、小尺寸、反應(yīng)迅速、高可靠性以及多元化的方向發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、辦公自動化設(shè)備、計(jì)算機(jī)、軍事、航天、工業(yè)儀器儀表等領(lǐng)域，涉及國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。

因此本文選擇了DC/DC功率變換器中的非隔離型雙向Buck-Boost變換器進(jìn)行重點(diǎn)研究，系統(tǒng)總體原理的可行性，具有很好的線性調(diào)整能力和負(fù)載調(diào)整能力，具有較高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。

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