先進(jìn)的降壓-升壓(Buck-Boost)工作原理

降壓轉(zhuǎn)換器通常將輸入電壓調(diào)節(jié)至從零到略小于輸入電壓的值。另一方面，升壓轉(zhuǎn)換器在電感器中存儲(chǔ)能量的模式和電感器釋放以滿足輸出要求的模式和電感釋放存儲(chǔ)的能量以重新對電容器充電同時(shí)保持整體能量平衡的模式之間切換電路。在傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的情況下，這兩種操作都是可能的?；巨D(zhuǎn)換器的幾種變體可用于在低頻和高電壓水平下工作。但是，基本原理對于所有人來說都是共同的。

簡單來說，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以從電壓水平小于或大于輸出電壓的電源提供穩(wěn)定的直流輸出。一些應(yīng)用需要具有調(diào)制輸入電壓的能力，包括輸入電壓變化很大的電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)。這是因?yàn)榭梢哉{(diào)節(jié)電池的充電周期和放電周期。當(dāng)電池充滿電時(shí)，電池兩端的電壓通常大于所需的輸出電壓。在這種情況下，可以使用降壓轉(zhuǎn)換器來保持穩(wěn)定的電源電壓。同樣，當(dāng)電池放電時(shí)，電壓水平降低，是導(dǎo)致電池處于需要充電才能使用的階段。

先進(jìn)的降壓-升壓(Buck-Boost)工作原理

眾所周知，降壓-升壓(Buck-Boost)轉(zhuǎn)換器將輸入側(cè)的正直流電壓轉(zhuǎn)換為輸出側(cè)的負(fù)直流電壓。開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)決定了電路的工作性質(zhì)。

在導(dǎo)通狀態(tài)經(jīng)電感器的電流線性增加。二極管不導(dǎo)通。如圖 2 所示。在關(guān)斷狀態(tài)下，二極管傳導(dǎo)電流，能量從電感器傳遞到電容器。這導(dǎo)致電感電流的減小，盡管通過電感的電流不能突然改變[。如圖 3 所示。需要注意的是，能量從電感器傳遞到電容器，導(dǎo)致電阻器兩端的電壓與輸入電壓相比，其極性相反。

3.降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷狀態(tài)工作原理

在電路的穩(wěn)態(tài)工作期間，可以根據(jù)電感電流值定義兩種工作模式。如果電感電流從未達(dá)到零，則稱為連續(xù)導(dǎo)通模式。但是，如果電感電流達(dá)到零，則電感器以不連續(xù)工作模式。

降壓-升壓(Buck-Boost)工轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系可以用以下公式表示：

Vout=DVin/(1D)

其中 D 是占空比。

占空比定義為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的百分比。換句話說，電感和電容的并聯(lián)組合形成二階低通濾波器，通過降低電壓紋波來平滑開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)產(chǎn)生干凈的直流電壓。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器是電動(dòng)汽車 (EV)、交通、可再生能源供電的微電網(wǎng)等所必需的。DC-DC 轉(zhuǎn)換器是有效能源管理的重要接口。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)溆袃煞N類型 ：

● 隔離轉(zhuǎn)換器

● 非隔離轉(zhuǎn)換器

隔離轉(zhuǎn)換器

將負(fù)載和輸入源分開的高頻變壓器是隔離拓?fù)涞闹饕M件。敏感負(fù)載可能需要這種隔離。這種隔離可以保護(hù)負(fù)載免受可能發(fā)生的輸入側(cè)故障的影響。

繞組匝數(shù)比是提高隔離轉(zhuǎn)換器電壓比的主要因素。值得注意的是，所建議的因素具有重大的負(fù)面影響，包括

● EMI 噪聲

● 需要使用能量回收電路的剩余電流

● 損失增加

● 由于該組件的磁性基礎(chǔ)導(dǎo)致功率密度下降

非隔離轉(zhuǎn)換器

使用非隔離拓?fù)鋾r(shí)，不必隔離輸入源和負(fù)載。因此，大多數(shù)應(yīng)用，包括高強(qiáng)度放電燈 (HID) 和可再生能源，都使用非隔離轉(zhuǎn)換器。

HID 照明所需的電壓范圍為 100 V 至 250 V。不過，汽車電池的最大電壓為 12 V，可以提供這樣的電壓。車輛無法承受因使用隔離拓?fù)涠黾拥闹亓?。因此，有必要使用非隔離轉(zhuǎn)換器。

光伏電池板和其他形式的可再生能源是第二個(gè)案例研究的主題。15 V 至 65 V 之間的電壓是轉(zhuǎn)換器的輸出。

非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的類型

能夠提高輸入電壓的傳統(tǒng)非隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有

● 升壓

● 降壓-升壓

●庫克

● SEPIC 拓?fù)?

非隔離拓?fù)涿媾R的挑戰(zhàn)

在所描述的所有拓?fù)渲?，升壓拓?fù)淇梢詫⑤斎腚妷弘娖教岣呙總€(gè)占空比值。對于 SEPIC 和 Cuk 拓?fù)?，其輸入電流也是連續(xù)的。

值得注意的是，Cuk 和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器失去了公共地和輸入源的負(fù)載。所有討論的拓?fù)涠加邢嗤娜毕?。除了低占空比和足夠的效率之外，它們無法提供高電壓增益值。針對這個(gè)問題提出的解決方案是使用Luo轉(zhuǎn)換器。

正輸出超升羅 (POSLL) 轉(zhuǎn)換器

通過使用較小的占空比百分比，電壓提升技術(shù)將電壓增益提高到更大的量。該轉(zhuǎn)換器被描述為正輸出超升羅 (POSLL) 轉(zhuǎn)換器。

此拓?fù)涞挠?jì)數(shù)較低。其設(shè)計(jì)包括

● 電感1個(gè)

● 1個(gè)開關(guān)

● 兩個(gè)二極管

● 兩個(gè)電容

局限性

該轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器具有更大的電壓增益。當(dāng)占空比接近 50% 時(shí)，POSLL 轉(zhuǎn)換器的電壓增益增加到 3。相反，該值在降壓-升壓、SEPIC 和 Cuk 拓?fù)渲袨?1，在升壓拓?fù)渲袨?2。

基于上述想法，必須提供替代拓?fù)?，因?yàn)?POSLL 轉(zhuǎn)換器的電壓增益沒有預(yù)期的那么大。

建議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出了一種改進(jìn)的二次 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。Cuk 和 POSLL 轉(zhuǎn)換器之間重新設(shè)計(jì)的連接構(gòu)成了轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?。因此，建議轉(zhuǎn)換器的電壓增益采用電壓提升方法和二次拓?fù)洹?

圖 1(a) 顯示了建議的轉(zhuǎn)換器的圖示，它由

● 兩個(gè)電感(L1 和 L2)

● 三個(gè)電容器(C1、C2 和 Co)

● 三個(gè)二極管(D1、D2、D3)

● 兩個(gè)開關(guān)(S1 和S2)

如圖 1(b) 所示，所提供的拓?fù)涫?Cuk 和 POSLL 拓?fù)涑跏疾糠窒嘟Y(jié)合的結(jié)果。值得注意的是，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出和Cuk轉(zhuǎn)換器中第一個(gè)電容器的電壓是相同的。這樣一來，第一步的電壓就已經(jīng)足夠升高了。

第二個(gè)組件接收來自第一個(gè)電容器的電壓，如圖1(b)所示。此部分為紅色，與 POSLL 相關(guān)。由于所示的架構(gòu)，輸入源電壓已分兩步增加。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 時(shí)，它以兩種模式運(yùn)行。第二個(gè)二極管和開關(guān)同時(shí)激活。其余的半導(dǎo)體也被鈍化。

根據(jù)對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的徹底檢查，該轉(zhuǎn)換器早期使用的 Cuk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成功地確保了輸入電流的連續(xù)性。此外，傳統(tǒng) Cuk 拓?fù)淙狈餐c(diǎn)的問題已通過解釋 Cuk 拓?fù)涞姆绞降玫浇鉀Q。

為了提取轉(zhuǎn)換器的核心關(guān)系，有必要考慮某些因素。在理想模式和穩(wěn)態(tài)模式下研究了轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

在建議的拓?fù)渲校?0% 占空比提供的電壓增益是原來的六倍。除了高電壓增益之外，還存在輸入電流連續(xù)性。此外，與 Cuk 和 POSLL 轉(zhuǎn)換器的級(jí)聯(lián)連接相比，所得拓?fù)渚哂懈玫碾妷涸鲆婧透俚慕M件。

最近提出的轉(zhuǎn)換器中的幾種半導(dǎo)體具有更大的電壓和電流應(yīng)力值。此外，所提出的拓?fù)渲袃煞N半導(dǎo)體的電壓和電流應(yīng)力均有所降低。所提出的轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用更少的元件產(chǎn)生了更好的電壓增益水平。

總結(jié)要點(diǎn)

● DC-DC 轉(zhuǎn)換器對于電動(dòng)汽車、交通和可再生能源應(yīng)用中的能源管理至關(guān)重要，是有效能源管理的重要接口。

● 本文將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器全面分類為隔離式和非隔離式拓?fù)洌?qiáng)調(diào)了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

● 建議將Cuk 和POSLL 拓?fù)浣M合成新的二次DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，?a href="/tags/拓?fù)? target="_blank">拓?fù)?/a>將具有更高的電壓增益和更少的部件。