极性反转升降压变换器浅析.docx

极性反转升降压变换器浅析科技创新实验室（成都信息工程学院，四川，成都 610225）摘要：极性反转升降压（Buck-Boost）变换器是一种流行的非隔离式的开关电源变换器。这种拓扑结构的电路，可以得到比输入级电压幅值更高或更低的、与输入级电压极性相反的输出电压，具有降压（Buck）变换器和升压（Boost）变换器的双重作用，电路拓扑结构简单、应用广泛。关键词：开关电源； DC-DC变换器；Buck-Boost升降压电路；高效率；直流电源设计中图分类号：TM131.3 文献标识码：AAnalysisof the Buck-BoostConverterSu Zhen(Chengdu University of Information Technology, Sichuan Chengdu, China, 610225)Abstract： Buck-Boost converter is a popular non-isolated switching power converter. Usingthe circuit of this topology, you cangetahigher or lowerthantheinput stagevoltageamplitudeand opposite polarity output voltage. Buck-boostcircuit has adual roleoftheBuck converterand Boost Circuit,andsimple structure,has been widely used.Keywords：Switching power supply; DC-DC converter; Buck-Boostcircuit; High efficiency; DCpower supply design1 前言随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源已广泛应用于计算机、邮电通信、工业加工和航空航天等各领域。Buck-Boost变换器作为开关电源中非隔离式拓扑结构电路的代表，其集Buck电路与Boost电路于一体，是电源初学者学习开关电源最好的选择。2 电路结构极性反转型（Buck-Boost）变换器主电路由开关管VT1、储能电感L1、整（续）流二极管VD1及滤波电容C1等元器件组成。这种电路具有Buck变换器降压和Boost变换器升压的双重作用。其输出电压的极性和输入电压是相反的，故称升降压反极型变换器。图表1 Buck-Boost电路拓扑图3 电路工作原理Buck-Boost变换器有电感电流连续和断续两种基本工作方式，三种等效开关工作模态，如图表2所示。电感电流连续与断续边界称为临界连续或临界断续。图表3为主要波形图。图表 2 Buck-Boost变换器三种开关状态等效电路a.VT1导通；b.VT1截止；c.VT1关断时的电感电流为0注：a、b、c 图中虚线表示相关回路断开。图表 3 Buck-Boost变换器主要波形a 电感电流连续 b. 电感电流断续2.1 电感电流连续情况下Buck-Boost变换器工作原理和相关关系式Buck-Boost变换器在电感电流连续情况下的等效电路如图表2 a、b所示，主要相关波形如图表3 a所示，并假定变换器无损耗。占空比D=Ton/Ts，Ts为开关管VT1的开关周期，Ton为开通时间。在t0，开关管VT1导通，电感L1上加上电压Vin，电感电流线性增加，L1开始储能。在t=Ton时，电感电流达到最大值IL max，电感电流在0 Ton的变化量为 （1）在导通时间结束时刻（t=Ton）开关管VT1截止，由于电感电流不能突变，维持电感电流继续经负载、二极管VD1流动，并对电容C 1充电，把导通期间电感中存储的能量传输到输出回路，电感电流从最大值IL max线性下降，此时电感电流的变化量为 （2）根据一个周期内稳态时开关导通和截止期间电感电流变化相等的原则，即 （3）求取输出电压Vo与输入电压Vin之间的表达式为 （4）从式（4）当D=0.5时，Vin=Vo；当D0.5时，Vo0.5时，VoVin,实行升压工作。同时从图表2可以看出，无论储能电感L1向负载传输能量，还是滤波电容C1向负载释放储能的放电电流，其方向都是下正上负，所以这种变换器被称为升降压反极性变换器。它不仅对输入电压Vin实现升压和降压功能，还可将输入电压的极性反向至输出端。2.2 电感电流续断情况下Buck-Boost变换器工作原理及主要关系式VT1导通期间的状态与电感电流连续时情况相同，加在电感L1两端的电压为Vin，流过电感的电流随时间线性变化，其值为Vin/L1，在Ton期间内的电感L1的储能为 （5）则一个周期内的平均功率PAVG为 （6）由于变换器假定无损耗，电感L1的储能完全传送到输出，即PANG=Vo Io，则可得出输出电压Vo的表达式为 （7） 从式（7）可以得知，输出电压Vo不仅与输入电压Vin和占空比D有关，还与输出负载电流Io有关。5. 电路部件选择3.1输出滤波电容在Buck-Boost变换器中，加载电压输出电容在电场存储能量，所以定性的说，电容的作用就是试图保持一个不变的输出电压。在电感电流连续的情况下，由于开关管VT1导通时，滤波电容C1提供了所有的负载电流，所以大部分的输出电压纹波是由电容C1产生的。假定输出电流为Io、开关频率为fs、设计所要求纹波电压为Vo，则滤波电容C1需满足 （8）在电感电流断续情况下，电容C1需满足 （9）在实际电路设计中，为了得到需要的等效串联电阻，通常要选择比计算出来的电容值大的电容器。3.2储能电感在Buck-Boost变换器中，电感的作用是储存能量，电流流过是能量会以磁场的方式储存下来，所以定性的说，电感的作用就是试图保持一个固定不变的电流值，或者说是限制流过电感电流的变化率。选择电感值主要取决于所要限制的流过它的电流纹波的峰峰值。纹波电流跟加载电压和导通时间成正比，跟电感值成反比，一般来讲，电感值越大，滤波效果越好，但选择较大值的电感时，需考虑电感的功率损耗，电感值过大，会降低整个变换器的工作效率。所以在选择电感时需综合考虑，以满足自己的设计需求。3.3开关管在Buck-Boost变换器中，开关管控制着输入级到输出级的能量流动。开关管必须能够在很短的时间内完成一种状态到另一种状态的转换，以避免在开关时间内的功率损耗。在实际设计中，我们常选用金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）作为开关管，场效应管输入阻抗大，导通压降小，能够使整个系统高效率地工作。3.4整流二极管整流二极管在开关管关断时导通，为电感电流提供通路。在选择整流二极管是需考虑的主要因素有：快速开关、击穿电压、额定电流、为降低损耗的低正向压降和合适的封装。肖特基二极管通常是低压输出的最佳解决方案。所选则的整流二极管反向击穿电压必须大于输入电压与输出电压之间的最大差值，而且必须为瞬时值和峰值留有一定的容量。额定电流至少是电路最大电流的两倍，通常额定电流要远大于输出电流。6. 电路性能优点：1. 电路拓扑结构简单、工作效率高2. 电压变比可由零到无穷大，即可升压又可降压。缺点：1. 输入、输出电流皆有脉动，使得对输入电源有电磁干扰且输出纹波较大。所以实际应用时常加有输入，输出滤波器。2. 开关管发射极不接地，使驱动电路复杂化 与其他DC-DC变换器对比：图表 4 Buck-Boost变换器与其他变换器的对比7. 集成Buck-Boost芯片LM5118介绍 芯片概述LM5118是美国国家半导体公司（NS）近期推出的一种高压开关控制器IC，它仅需要非常少量的外部元件，就可以构建降压（Buck）或降压升压（Buck-Boost）开关稳压器拓扑。LM5118输入电压范围达375V，开关频率从50KHz到500KHz可编程。LM5118内含高端降压MOSFET和低端升压MOSFET驱动器，能够提供2A的峰值电流。 芯片管脚说明图表5 LM5118管脚说明 应用电路示例以4V-70V直流输入，12V输出电路为例，该电路最大电流输出为3A。图表 6 LM5118应用电路示例8. Buck-Boost电路拓展应用基于Buck-Boost原理的交流稳压器设计图表7为Buck-Boost 交流调压器主电路。L 为储能电感，Co 为输出滤波电容，S1、S2 和S3、S4 分别为由两个IGBT 反向串联组成的双向开关。图表 7 主电路拓扑结构图表 5 功率开关驱动信号电路通过两两互补的功率控制信号，控制四个IGBT管的导通和截止，从而使Buck-Boost电路原理适用于对交流信号的控制。输入交流电压有效值如输出交流电压有效值满足关系式 （10）9. 结论Buck-Boost变换器是非隔离式开关电源拓扑，其电路结构简单，可以对输入电压进行升压或降压处理，其输出电压理论值可以从0到无穷大变化。Buck-Boost变换器工作效率高，带负载能力强，广泛的应用于各种功率电路。参考文献：1李定宣.开关稳定电源设计与应用M.北京.中国电力出版社.2006:33-37.2Maniktala,S. Switching Po