負(fù)壓BUCKBOOST變換器的工作原理介紹

要負(fù)壓，就反加，將激磁后電感的感應(yīng)電壓以相反極性加到輸出電壓，就可以得到負(fù)壓BUCKBOOST變換器最基本的電路結(jié)構(gòu)，下面介紹其工作原理。

1、電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM工作原理

假定：BUCKBOOST負(fù)壓變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，電感電流iL處于連續(xù)導(dǎo)通模式：每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，iL從一定的初始值iLmin開(kāi)始激磁工作，每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，電感電流回到初始值iLmin。開(kāi)關(guān)管Q、二極管D、電感L和濾波電容均為理想元件，濾波電容的電容值足夠大，輸入電壓紋波和輸出電壓紋波都很小，輸入電壓Vin和輸出電壓-Vo保持穩(wěn)定不變，開(kāi)關(guān)管Q、二極管D、電感L三個(gè)元件交點(diǎn)稱為開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，電壓為Vsw。

(a)BUCKBOOST負(fù)壓變換器

(b)開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通

(c)開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷

圖1 BUCKBOOST變換器CCM工作等效電路

（1）開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，二極管D關(guān)斷

當(dāng)t=0時(shí)，iL=IL(min)，開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，二極管D的陰極電壓為Vin，陽(yáng)極電壓為-Vo，二極管D兩端電壓反向偏置，處于截止；電感L上邊電壓為Vin，下邊電壓為0，VL=Vin，加在電感L兩端電壓為正向電壓，電感激磁，iL從初始值IL(min)隨時(shí)間線性增加，電感儲(chǔ)存能量。

在t=ton時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，iL達(dá)到最大值IL(max)。

開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間，二極管D承受反向電壓處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，輸入電源并不向輸出負(fù)載傳輸能量，因此，輸出負(fù)載Ro所需要能量全部由輸出電容Co提供。

（2）開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，二極管D開(kāi)通

開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷后，iL不能突變，要保持原來(lái)大小和方向，因此，二極管D導(dǎo)通續(xù)流，iL從二極管D流過(guò)，二極管D兩端電壓處于正向偏置。電感上邊電壓為-Vo，下邊電壓為0，VL= -Vo，加在電感L兩端電壓為反向電壓，電感去磁，iL從最大值IL(max)隨時(shí)間線性下降，電感向輸出負(fù)載釋放能量。

這一階段時(shí)間起點(diǎn)從ton開(kāi)始，當(dāng)t= ton ，iL=IL(max)，得到：

開(kāi)關(guān)管Q保持關(guān)斷時(shí)間為toff，在ton+toff=TS時(shí)刻，電感電流從最大值IL(max)降低到初始的最小值IL(min)，開(kāi)關(guān)管Q再次開(kāi)通，上一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，重復(fù)以上過(guò)程，如此反復(fù)。

2、電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM工作波形

電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM，相關(guān)參數(shù)的工作波形如圖2所示。

圖2 BUCKBOOST變換器CCM波形

BUCKBOOST變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，輸出電容Co放電，輸出電容Co的電流小于0，電容提供全部所需負(fù)載電流。開(kāi)關(guān)端關(guān)斷期間，輸出電容Co充電，輸出電容Co的電流大于0，電感同時(shí)提供所需負(fù)載電流和電容充電電流。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電容充放電過(guò)程滿足電荷平衡。

3、電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM相關(guān)參數(shù)計(jì)算

（1）輸入電壓Vin和輸出電壓Vo關(guān)系

BUCKBOOST負(fù)壓變換器在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM下穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，電感必須磁通復(fù)位或伏秒值平衡，因此，可以得到：

由于D小于或等于1，因此，Vo可以大于Vin，也可小于 Vin，BUCKBOOST負(fù)壓變換器具有升降壓功能。

（2）電感電流紋波和輸入電流

電感電流紋波為：

電感平均電流IL為：

忽略變換器的功率損耗，輸入功率Pin等于輸出功率Po：

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出濾波電容電流平均值為0，二極管D與輸出電壓端串聯(lián)，輸出電流Io等于二極管D的平均電流ID。

4、電感電流非連續(xù)導(dǎo)通模式DCM工作原理及基本關(guān)系

BUCKBOOST變換器的電感電流平均值IL與輸出電流Io成正比，如果Io降低，IL也隨之降低，其鋸齒波波形整體向下移動(dòng)。當(dāng)Io降低到一個(gè)值時(shí)，iL最小值降低到0，IL(min)=0，iL從鋸齒波變?yōu)槿遣?，即：每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，iL的初始值為0；每個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)，iL剛好降低到0，這種工作模式稱為臨界導(dǎo)通模式CRM Critical ConductionMode。

電感電流平均值IL為：

BUCKBOOST變換器進(jìn)入到臨界導(dǎo)通模式后，Io進(jìn)一步降低，iL降為0后，輸出二極管D自然關(guān)斷不再導(dǎo)通；然而，此時(shí)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間還沒(méi)有結(jié)束，iL在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束之前提前下降到0，輸出二極管D提前關(guān)斷；后面一段時(shí)間，iL將保持為0不變，這種狀態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。在開(kāi)關(guān)周期中，iL的電路波形在中間出現(xiàn)不連續(xù)（斷續(xù)）狀態(tài)，這種工作模式稱為非連續(xù)（斷續(xù)）導(dǎo)通模式DCM Discontinuous Conduction Mode。

在DCM模式工作時(shí)，電感電流平均值IL小于其峰值電流的一半：

BUCKBOOST變換器電感電流工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式DCM時(shí)，電路有3種工作狀態(tài)， ton和toff1與連續(xù)導(dǎo)通模式CCM相同，多出一個(gè)工作狀態(tài)為toff2，如圖3所示。此期間，iL一直保持為0，輸出負(fù)載Ro完全由輸出電容Co放電來(lái)維持供電，因此，輸出電容Co的紋波電壓較大。

圖3 BUCKBOOST變換器非連續(xù)導(dǎo)通模式toff2期間等效電路

圖4 BUCKBOOST變換器DCM波形

輸入電壓Vin和輸出電壓Vo關(guān)系為：

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電流Io等于二極管的平均電流ID，因此：

得到：

另外，也可以使用功率平衡（能量守恒）來(lái)求解輸入電壓Vin和輸出電壓Vo關(guān)系。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，輸入電源才向變換器傳輸功率。

審核編輯：劉清