负压BUCKBOOST变换器的工作原理介绍

 

要负压，就反加，将激磁后电感的感应电压以相反极性加到输出电压，就可以得到负压BUCKBOOST变换器最基本的电路结构，下面介绍其工作原理。

1、 电感电流连续导通模式CCM工作原理

假定：BUCKBOOST负压变换器工作在稳定状态，电感电流iL处于连续导通模式：每一个开关周期开始时，iL从一定的初始值iLmin开始激磁工作，每一个开关周期结束，电感电流回到初始值iLmin。开关管Q、二极管D、电感L和滤波电容均为理想元件，滤波电容的电容值足够大，输入电压纹波和输出电压纹波都很小，输入电压Vin和输出电压-Vo保持稳定不变，开关管Q、二极管D、电感L三个元件交点称为开关节点，电压为Vsw。

(a) BUCKBOOST负压变换器  

(b) 开关管Q开通 

 (c)开关管Q关断

图1  BUCKBOOST变换器CCM工作等效电路

（1）开关管Q开通，二极管D关断

当t=0时，iL=IL(min)，开关管Q开通，二极管D的阴极电压为Vin，阳极电压为-Vo，二极管D两端电压反向偏置，处于截止；电感L上边电压为Vin，下边电压为0，VL=Vin，加在电感L两端电压为正向电压，电感激磁，iL从初始值IL(min)随时间线性增加，电感储存能量。

在t=ton时刻，开关管Q关断，iL达到最大值IL(max)。

开关管Q导通期间，二极管D承受反向电压处于截止状态。此时，输入电源并不向输出负载传输能量，因此，输出负载Ro所需要能量全部由输出电容Co提供。

（2）开关管Q关断，二极管D开通

开关管Q关断后，iL不能突变，要保持原来大小和方向，因此，二极管D导通续流，iL从二极管D流过，二极管D两端电压处于正向偏置。电感上边电压为-Vo，下边电压为0，VL= -Vo，加在电感L两端电压为反向电压，电感去磁，iL从最大值IL(max)随时间线性下降，电感向输出负载释放能量。

这一阶段时间起点从ton开始，当t= ton ，iL=IL(max)，得到：

开关管Q保持关断时间为toff，在ton+toff=TS时刻，电感电流从最大值IL(max)降低到初始的最小值IL(min)，开关管Q再次开通，上一个开关周期结束，下一个开关周期开始，重复以上过程，如此反复。

2、电感电流连续导通模式CCM工作波形

电感电流连续导通模式CCM，相关参数的工作波形如图2所示。

图2  BUCKBOOST变换器CCM波形

BUCKBOOST变换器开关管导通期间，输出电容Co放电，输出电容Co的电流小于0，电容提供全部所需负载电流。开关端关断期间，输出电容Co充电，输出电容Co的电流大于0，电感同时提供所需负载电流和电容充电电流。每个开关周期中，电容充放电过程满足电荷平衡。

3、电感电流连续导通模式CCM相关参数计算

（1）输入电压Vin和输出电压Vo关系

BUCKBOOST负压变换器在连续导通模式CCM下稳态工作时，每个开关周期，电感必须磁通复位或伏秒值平衡，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负压变换器具有升降压功能。

（2）电感电流纹波和输入电流

电感电流纹波为：

电感平均电流IL为：

忽略变换器的功率损耗，输入功率Pin等于输出功率Po：

稳态工作时，输出滤波电容电流平均值为0，二极管D与输出电压端串联，输出电流Io等于二极管D的平均电流ID。

4、电感电流非连续导通模式DCM工作原理及基本关系

BUCKBOOST变换器的电感电流平均值IL与输出电流Io成正比，如果Io降低，IL也随之降低，其锯齿波波形整体向下移动。当Io降低到一个值时，iL最小值降低到0，IL(min)=0，iL从锯齿波变为三角波，即：每一个开关周期开始时，iL的初始值为0；每个开关周期结束时，iL刚好降低到0，这种工作模式称为临界导通模式CRM Critical ConductionMode。

电感电流平均值IL为：

BUCKBOOST变换器进入到临界导通模式后，Io进一步降低，iL降为0后，输出二极管D自然关断不再导通；然而，此时开关周期时间还没有结束，iL在开关周期结束之前提前下降到0，输出二极管D提前关断；后面一段时间，iL将保持为0不变，这种状态一直持续到下一个开关周期开始。在开关周期中，iL的电路波形在中间出现不连续（断续）状态，这种工作模式称为非连续（断续）导通模式DCM Discontinuous Conduction Mode。

在DCM模式工作时，电感电流平均值IL小于其峰值电流的一半：

BUCKBOOST变换器电感电流工作在非连续导通模式DCM时，电路有3种工作状态， ton和toff1与连续导通模式CCM相同，多出一个工作状态为toff2，如图3所示。此期间，iL一直保持为0，输出负载Ro完全由输出电容Co放电来维持供电，因此，输出电容Co的纹波电压较大。

图3  BUCKBOOST变换器非连续导通模式toff2期间等效电路

图4  BUCKBOOST变换器DCM波形

输入电压Vin和输出电压Vo关系为：

稳态工作时，输出电流Io等于二极管的平均电流ID，因此：

得到：

另外，也可以使用功率平衡（能量守恒）来求解输入电压Vin和输出电压Vo关系。在一个开关周期内，开关管Q导通时，输入电源才向变换器传输功率。

审核编辑：刘清