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，已經在開關領域上占據越來越重要的地位。本文選擇了非隔離型雙向Buck-Boost變換器作為研究對象進行重點分析，詳細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。經過分析表明，非隔離型雙向Buck-Boost變換器能較好達到理論分析要求，在之后的電能變換深入研究中具有重要參考價值。

關鍵詞：BDC；非隔離型雙向Buck-Boost變換器

引言

DC/DC變換器是一種轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。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這四種結構；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型變換器電路拓撲可以演化、派生出一系列用于不同電能變換的電路結構和拓撲，對于電力電子拓撲的研究具有參考價值。

1非隔離型雙向Buck-Boost變換器的主電路分析

1.1 主電路的拓撲結構

非隔離型雙向Buck-Boost變換器由Buck變換器衍化而來的一種拓撲結構，雙向DC/DC變換器拓撲電路即在晶體管Q上反并聯二極管D，在二極管D上反并聯晶體管Q。兩個開關管處于互補互通的狀態，當能量從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，即兩側都有電源時，此時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。為了避免兩個開關管同時導通，應準確計算電感L的大小，由此得出相應的死區時間，實現開關管的零電壓開通，并避免了二極管的反向恢復問題。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主電路拓撲模型

1.2 主電路開關管的選擇及其參數設計

功率開關管在控制信號處于高電平時，開關管導通，同時流過大電流并具有很小的壓降；當控制信號處于低電平時，開關管截止關斷，同時承受大電壓，而且幾乎不通過電流。

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 作為開關管，MOSFET是一種單極型晶體管，利用電場效應來控制漏極電流的大小的半導體器件。當柵源極之間的電壓VGS小于開啟電壓VTN時，不論電壓極性如何，兩個PN結中始終有一個是反向偏置的，漏極電流幾乎為零，此時MOSFET 不導通；當柵源極之間的電壓VGS大于開啟電壓VTN時，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，半導體表明產生電場，電子從源極流向漏極，即為MOSFET的正向導電特性。

1.3 雙向Buck-Boost變換器的電壓紋波計算處理

在對雙向Buck-Boost進行實驗時，其輸出紋波遠遠大于理論計算值。由于開關器件導通瞬間受寄生參數影響產生的電壓振蕩、輸出濾波電容等效串聯電阻產生的差模干擾導致了電壓紋波過大，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電壓緩沖電路、串聯電流緩沖電路等抑制措施。

1）并聯電壓緩沖電路

電壓振蕩發生的主要原因是線路及器件的寄生電感產生的尖峰，一般采用并聯RC吸收電路來有效抑制電壓振蕩現象，吸收寄生電感產生的電壓尖峰。對于并聯RC吸收電路參數選取應考慮吸收電容C每個周期存儲的能量在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斷開時間Toff內基本完成放電，應保證，此外R依據阻尼振蕩的原理選擇在 LC

附近，以此達到最好的效果。

2） 串聯電流緩沖電路

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

抑制電路運行在Buck方式下，電路原理圖串聯的飽和電感LS即為抑制串聯飽和電流的。當Q1斷開時，電感LS流過電流Ioff而處于飽和狀態，不起作用。Q1導通瞬間，D2突然加上一個反向電壓，A2B2支路正向電流急劇下降，并有產生瞬間反向電流的趨勢，電感LS此時退飽和轉而呈現大感性，由于大電感可有抑制電流突變，因此二極管反向恢復電流得到抑制。本文實驗中選用的飽和電感為鐵氧體磁芯。

2 結束語

DC/DC變換器的發展正趨于高頻率、高功率密度、小尺寸、反應迅速、高可靠性以及多元化的方向發展，已經廣泛應用于遠程及數據通訊、辦公自動化設備、計算機、軍事、航天、工業儀器儀表等領域，涉及國民經濟的各行各業。

因此本文選擇了DC/DC功率變換器中的非隔離型雙向Buck-Boost變換器進行重點研究，系統總體原理的可行性，具有很好的線性調整能力和負載調整能力，具有較高的系統轉換效率。

參考文獻：

[1] 胡黎強. 開關電源變換器的研究及其DC/DC變換芯片的實現[D]. 上海： 上海交通大學， 2003.

[2] 嚴仰光. 雙向直流變換器[M]. 南京： 江蘇科學技術出版社， 2004.

[3] Daolian Chen.Novel Current-Mode AC/AC Converters with High-Frequency AC Link[J].IEEE Trans. On Industrial Electronics，55（1）：30-37.