數控機床一種直流變換器拓撲研究

周 鵬 ，蔣昌虎 ，錢 臣 ，洪辰浩

（1.當涂縣市場監督檢驗所，安徽 當涂 243100；2.安徽省機床及刃模具產品質量監督檢驗中心，安徽 當涂 243100）

1 研究背景

隨著我國裝備制造業的快速發展，機床行業也面臨轉型升級。與傳統機床不同，數控機床內部芯片眾多，包括傳感器、伺服電機等，每種芯片要求的電壓可能不盡相同。開關電源作為一種功率變換模塊，可以對輸入電源進行功率變換，精確得到芯片需要的供電電源，保證機床正常、平穩工作。

DC-DC開關變換器最常見的三種電路拓撲形式為：降壓（Buck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）。其中Buck-Boost變換器因其幅度既可比輸入電壓高，也可比輸入電壓低，且電路結構簡單而應用廣泛。下面以Buck-Boost為例進行理論說明[1]。

2 Buck-Boost電路穩態分析

Buck-Boost電路的輸出電壓幅度可低于或高于輸入電壓。如果將源電壓的負端作為參考節點，則輸出電壓的極性與源電壓相反。Buck-Boost電路原理圖如圖1所示，其中S1、S2均為理想開關。Buck-Boost電路可以在連續導通模式（CCM）和非連續導通模式（DCM）下工作。連續導通模式在穩態工作時，整個開關周期內都有電流連續通過電感；而非連續導通模式下的電感電流是不連續的，即在開關周期內的一部分時間電感電流 為 0，且它在整個周期內從0開始，達到一個峰值后，再回到0[2-6]。

圖1 Buck-Boost型電路結構

在連續導通模式下，Buck-Boost電路在每個開關周期內有兩種工作狀態[6]，當S1閉合、S2斷開時，為導通（ON），如圖2a所示；當S1斷開、S2閉合時，為斷開（OFF），如圖2b所示。下面分別對這兩種工作狀態進行分析。

（1）導通。參考圖2a，輸入電壓直接加載在電感兩端，且由于加載的電壓通常必須為定值，因此電感電流線性增加，而所有的輸出負載電流由輸出電容C提供。其中，“開態”的時間設為ton=d×T，d為控制回路設定的占空比，代表了開關在“開態”的時間占整個開關周期T的比值。如圖2所示。

圖2 Buck-Boost電路等效原理圖

（2）斷開。參考圖2b，由于S1斷開，電感電流減小，電感兩端電壓極性翻轉，且其電流同時提供輸出電容電流和輸出負載電流。根據電流流向可知輸出電壓為負，即與輸入電壓極性相反。因為輸出電壓為負，因此電感電流是減小的，而且由于加載電壓必須是常數，所以電感電流線性減小。其中，“關態”的時間設為d′=1-d，且因為對于連續導通模式，電路在整個開關周期中只有兩種狀態，因此toff=d′×T。

根據電感的伏秒平衡關系，可以得到輸入電壓Vin與輸出電壓Vo關系：

由上式可見，可以通過調節占空比使輸出電壓高于也可低于輸入電壓，但輸出電壓與輸入電壓極性相反。

3 升壓變換器

本文研究一種可用于機床的直流變換器拓撲，可實現功率變換，且輸出電壓與輸入電壓極性相同，能夠滿足實際機床供電電路的應用需要。

如圖3所示，輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，電感分別為L1、L2。上面輸出電壓為V2，下面輸出電壓為 V1。當開關管 S1、S2閉合，S3、S4斷開時，輸入電源給電感 L1、L2，充電，電感電流增加，電容 C1、C2對負載供電。電感電流增加量：

圖3 直流變換器拓撲

當開關管 S1、S2斷開，S3、S4閉合時。此時輸入電源與電感L1串聯對電容C1進行充電，電感L2單獨對電容C2進行充電。兩電感電流減少量分別為：

根據電感的伏秒平衡：

推出輸入輸出關系：

4 仿真驗證

在PSIM軟件中，對該電路原理進行驗證，電路參數如下：輸入電壓Vin=20V，儲能電感L1＝L2=100uF，輸出濾波電容 C1＝C2=200uF。

當占空比d=0.6時，輸出電壓Vo=50V，如圖4所示；當占空比d=0.8時，輸出電壓Vo=100V，如圖5所示。

圖5 占空比d=0.8時，輸入電壓=20V，輸出電壓Vo=100V

5 小結

從上述仿真結果可以看出，輸入電壓和輸出電壓嚴格滿足之前的數學關系，對之前的理論推導進行驗證，可以通過改變占空比達到調節輸出電壓的目的。通過這一方法，可以利用電容、電感等儲能元件，采用伏秒平衡原理、電容充放電平衡原理構造一系列直流變換器拓撲，以滿足機床電氣系統的調壓要求。

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