非隔离型Buck—Boost型变换器分析与研究

袁浩++薛艳静

摘 要：双向DC/DC变换器（Bidirectional DC-DC Converter， BDC）作为一种新的形式，已经在开关领域上占据越来越重要的地位。本文选择了非隔离型双向Buck-Boost变换器作为研究对象进行重点分析，详细介绍了非隔离型双向Buck-Boost变换器的基本原理以及控制方法。经过分析表明，非隔离型双向Buck-Boost变换器能较好达到理论分析要求，在之后的电能变换深入研究中具有重要参考价值。

关键词：BDC；非隔离型双向Buck-Boost变换器

引言

DC/DC变换器是一种转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC功率变换器的种类很多。它的输入电路和输出电路有两种隔离方式为非隔离型和隔离型。非隔离型双向DC/DC变换器电路主要有Buck/Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic/Zeta这四种结构；隔离型双向DC/DC变换器有单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等四种形式。从基本的Buck-Boost型变换器电路拓扑可以演化、派生出一系列用于不同电能变换的电路结构和拓扑，对于电力电子拓扑的研究具有参考价值。

1非隔离型双向Buck-Boost变换器的主电路分析

1.1 主电路的拓扑结构

非隔离型双向Buck-Boost变换器由Buck变换器衍化而来的一种拓扑结构，双向DC/DC变换器拓扑电路即在晶体管Q上反并联二极管D，在二极管D上反并联晶体管Q。两个开关管处于互补互通的状态，当能量从V1流向V2，Q1工作，Q2不工作，V1为电源端，则该变换器为Buck变换器；当能量从V2流向V1，Q2工作，Q1不工作，V2为电源端，则该变换器为Boost变换器。若为第三种情况，即两侧都有电源时，此时能量流动方式的判断方式是比较两电源电压大小以及占空比大小。为了避免两个开关管同时导通，应准确计算电感L的大小，由此得出相应的死区时间，实现开关管的零电压开通，并避免了二极管的反向恢复问题。非隔离型双向Buck-Boost变换器模型如图1所示。

图1 非隔离型双向Buck-Boost主电路拓扑模型

1.2 主电路开关管的选择及其参数设计

功率开关管在控制信号处于高电平时，开关管导通，同时流过大电流并具有很小的压降；当控制信号处于低电平时，开关管截止关断，同时承受大电压，而且几乎不通过电流。

功率晶体管分为两大类：双极型功率晶体管（电流控制型）和场控晶体管（电压控制型），场控器件分为：MOS场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）。

本文采用 MOSFET 作为开关管，MOSFET是一种单极型晶体管，利用电场效应来控制漏极电流的大小的半导体器件。当栅源极之间的电压VGS小于开启电压VTN时，不论电压极性如何，两个PN结中始终有一个是反向偏置的，漏极电流几乎为零，此时MOSFET 不导通；当栅源极之间的电压VGS大于开启电压VTN时，漏源极之间形成沟道，由于沟道的电阻小，故在漏源正电压VGS作用下，半导体表明产生电场，电子从源极流向漏极，即为MOSFET的正向导电特性。

1.3 双向Buck-Boost变换器的电压纹波计算处理

在对双向Buck-Boost进行实验时，其输出纹波远远大于理论计算值。由于开关器件导通瞬间受寄生参数影响产生的电压振荡、输出滤波电容等效串联电阻产生的差模干扰导致了电压纹波过大，因此必须对双向Buck-Boost变换器的纹波处理来抑制。

对于电压振荡可采取并联电压缓冲电路、串联电流缓沖电路等抑制措施。

1）并联电压缓冲电路

电压振荡发生的主要原因是线路及器件的寄生电感产生的尖峰，一般采用并联RC吸收电路来有效抑制电压振荡现象，吸收寄生电感产生的电压尖峰。对于并联RC吸收电路参数选取应考虑吸收电容C每个周期存储的能量在R上消耗，电容C的取值要适中，过大增加了电路损耗，过小会影响到吸收效果；在R的选取上，为确保C上电荷在Q1断开时间Toff内基本完成放电，应保证，此外R依据阻尼振荡的原理选择在 LC

附近，以此达到最好的效果。

2） 串联电流缓冲电路

二极管的反向电流是电压振荡的另一个原因，抑制二极管的反向电流可利用串联饱和电感，如图2所示。

抑制电路运行在Buck方式下，电路原理图串联的饱和电感LS即为抑制串联饱和电流的。当Q1断开时，电感LS流过电流Ioff而处于饱和状态，不起作用。Q1导通瞬间，D2突然加上一个反向电压，A2B2支路正向电流急剧下降，并有产生瞬间反向电流的趋势，电感LS此时退饱和转而呈现大感性，由于大电感可有抑制电流突变，因此二极管反向恢复电流得到抑制。本文实验中选用的饱和电感为铁氧体磁芯。

2 结束语

DC/DC变换器的发展正趋于高频率、高功率密度、小尺寸、反应迅速、高可靠性以及多元化的方向发展，已经广泛应用于远程及数据通讯、办公自动化设备、计算机、军事、航天、工业仪器仪表等领域，涉及国民经济的各行各业。

因此本文选择了DC/DC功率变换器中的非隔离型双向Buck-Boost变换器进行重点研究，系统总体原理的可行性，具有很好的线性调整能力和负载调整能力，具有较高的系统转换效率。

参考文献：

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[2] 严仰光. 双向直流变换器[M]. 南京： 江苏科学技术出版社， 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.