BUCK_BOOST电路原理分析

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题目：Buck-Boost电路建模及分析

摘 要：作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对优化开关电源的性能和提高设计效率具有重要意义。而Buck-Boost电路作为DC-DC开关变换器的其中一种电路拓扑形式，因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。

为了达到全面而深入的研究效果，本文对Buck-Boost电路进行了稳态分析和小信号分析。稳态分析中，首先介绍了电路工作原理，得出了两种工作模式下的电压转换关系式，并同时可知基于占空比怎样计算其输出电压以及最小最大电感电流和输出纹波电压计算公式；接着推导了状态空间模型，以在MATLAB中进行仿真；而最后仿真得到的电感电流、输出电压的变化规律符合理论分析。小信号分析中，首先推导了输出与输入间的传递函数表达式，以了解低频交流小信号分量在电路中的传递过程；接着分析其零极点，且仿真绘制波特图进行了验证。

经过推导与研究，稳态分析和小信号分析下仿真得到的变化规律均与理论上的推导一致。

关键词：Buck-Boost；稳态分析；小信号分析；MATLAB仿真

2 1.概论

现代开关电源有两种：直流开关电源、交流开关电源。本课题主要介绍直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源，如市电电源或蓄电池电源，转换为满足设备要求的质量较高的直流电源，即将“粗电”转换为“精电”。直流开关电源的核心是DC-DC变换器。

作为研究开关电源的基础，DC-DC开关变换器的建模分析对开关电源的分析和设计具有重要意义。DC-DC开关变换器最常见的三种电路拓扑形式为：降压(Buck)、升压(Boost)和降压-升压(Buck-Boost) [1]，如图1-1所示。其中Buck-Boost变换器因其输出电压极性与输入电压相反，而幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而流行。

(a) Buck型电路结构

直流BUCK和BOOST斩波电路

一、 BUCK电路

降压斩波电路(Buck Chopper)

Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=

Ton/Ts。

负载电压的平均值为：

式中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

工作原理为:

当在ton状态时，电源为这个电路供电，并对电感和电容充电，负载电压缓慢上升到电源电压。当toff状态时，电源电压为断开状态，系统供电依靠电感和电容的储能供电。所以是一个递减的电压。所以系统的这个工作流程为，周期性的电源供电方式，而输出的负载的电源大小取决于周期中的占空比。

(a)电路图 (b)波形图（实验结果 ）

图1降压斩波电路的原理图及波形

二、 BOOST电路

开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式

升压斩波电路(Boost Chopper)

UiI1ton=(UO-Ui) I1toff iionioffononoaUUTtUtttUUGEUDtttUOtontoffTUiVDLCUo-+-+UEGCRi11UD+-

上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

工作原理

当开关S在位置a时，如图2(a)所示电流iL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关S转换到位置b时，构成电路如2(b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持iL不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源Vs串联，以高于Vo电压向电容C、负载R供电。高于Vo时，电容有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降压趋势时，电容向负载R放电，维持Vo不变

名称符号大小单位备注已知条件输入电压最小值VINmin21.6V输入电压最大值VINmax26.4V输出电压VOUT65VIOUTmin0.5AIOUTmax1.5A开关工作频率Fs100KHzTs=1/Fs纹波电流∆IL1A纹波电压∆VOUT100mV计算值

VINmin占空比Dmin0.593846154(D1是MOSFET闭合占空比)Vo/Vin=1/(1-D1)——>D1=(Vo-Vin)/VoVINmax占空比Dmax0.667692308理论计算电感L21.22497515uH选择电感值L25.46997018uHC100.1538462uFESR22.15383457mΩIc(rms)AVDS91.4VIon5.013888889AIon=IIN+0.5*∆ILIavg3.013888889AIavg=D1/（1-D1）*IomaxVD91.4VIDon5.013888889AIon=Io+0.5*∆ILIDavg3.087219344AIavg=（1-D1）/D1*IIN

VoBUCK-BOOST电路相关器件选择(工作在连续模式下)

选择电感33uH/3.2A输出电容MOSFET/开关管 相关参数二极管相关参数输出电流

电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析

2007年06月09日 星期六 18:43

在直流变换中不产生电能形式变化，只产生直流电参数的变化。DC/DC变换器具有成本低、重量轻、可靠性高、结构简单等特点，因此，在工业领域和实验室得到了广泛应用。单象限直流电压变换器电路的特点是输出电压平均值Uo跟随占空比D值而变，但不管D为何值，Uo的极性则始终不变，这对于直流开关稳压电源一类的应用场所是能够满足要求的。但对于直流调速电源，负载为直流电动机时，上述性能便不能满足要求，因而发展了多象限直流电压变换电路。

双象限电路分为输出电流平均值Io极性可变的电路与输出电压平均值Uo极性可变的电路两类，通常前一种电路称为电流双象限电路，后一种电路称为电压双象限电路。电流双象限电路是指输出电流平均值Io的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电压平均值Uo的极性却始终为正，即电路可运行于第一和第二象限。电压双象限电路是指输出电压平均值Uo的幅值和极性均随控制信号us而变化，但输出电流平均值Io却始终为正，即电路可运行于第一和第四象限。本文将对电压双象限Buck Boost电路进行分析。

1 Buck电路

1.1 电路结构

主电路如图1所示。用电感、内阻和等效电压串联电路表示有源负载，桥的直流输入端并联滤波电容。这是一个全桥电路结构，桥的每臂用全控型器件（S1，S2）和不控型器件（D1，D2）组成。S1及S2的控制采用PWM控制，这样可以调节D值，并且及时检测负载的运行状况，由此控制开关的关断和开通。此电路的元器件、电源、负载均假设为理想的。输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。

1.2 工作原理

1.2.1 运行于第一象限 这是指输出端电压平均值和电流平均值均为正的工作状态。

（0≤t≤DT） S1及S2均导通，等效电路如

图2(a)所示，输出电压Uo为Ud，输入电流等于输出电流，输出电流线性增长，负载从电源吸取能量。 (DT≤t≤T) S1导通，S2断开，D1正偏续流，等效电路如图2(b)所示，由于S1与D1导通，Uo的值为零。