簡(jiǎn)析BOOST-BUCK變換器

摘要：本文提出一種新型的BOOST-BUCK變換器，該變換器具有輸入輸出電流連續(xù)，輸出電壓可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。由于該變換器的輸入電流連續(xù)，該變換器適合于功率因數(shù)校正電路，且其實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。該變換器的輸出電壓可調(diào)范圍大，可以大于或小于輸入電壓，這很好的克服了傳統(tǒng)的BOOST變換器輸出電壓必須大于輸入的缺點(diǎn)。理論分析，仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該變換器的實(shí)用性。 敘詞：BOOST-BUCK變換器，BOOST變換器，功率因數(shù)校正。 Abstract：A novel BOOST-BUCK converter is proposed in this paper. The converter has a continue input and output current, and wide output voltage range. For the continuous input current, the converter can be used in power factor corrector, and the realization is simple. Since the output voltage could be bigger or smaller than the input voltage, the converter can solve the limitation of the boost converter that its output voltage must bigger than the input voltage. The proposed converter is analyzed, simulated and experimentally verified. Keyword：BOOST-BUCK converter, BOOST converter, PFC.
Ⅰ 引言

　　目前，功率因數(shù)校正問(wèn)題是許多電器設(shè)備都需要解決的問(wèn)題。對(duì)此，人們提出了許多的電路拓?fù)浜涂刂品桨竵?lái)解決它。其中運(yùn)用較為廣泛的是利用BOOST型變換器來(lái)做功率因數(shù)校正。這是因?yàn)锽OOST變換器具有許多其他電路拓?fù)渌痪哂械膬?yōu)點(diǎn)，例如輸入電流連續(xù)，控制簡(jiǎn)單等。但是BOOST變換器的輸出電壓必須要比輸入電壓高，這使得在許多場(chǎng)合中需要再增加一級(jí)直流變換器來(lái)調(diào)整其輸出電壓，例如BUCK變換器。電路如圖1所示，造成了電路成本高，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。對(duì)此本文提出了一種新型的BOOST-BUCK電路拓?fù)?，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。該變換器具有BOOST型變換器的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有輸出電壓可調(diào)范圍大，輸出電流連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。比較圖1和圖2，我們可以看出BOOST-BUCK變換器是由BOOST變換器加BUCK變換器集成而成的，通過(guò)共用功率MOS管Ms來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出電壓的調(diào)節(jié)的。

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　　文獻(xiàn)【2】指出，當(dāng)利用BOOST變換器做功率因數(shù)校正時(shí)存在兩種主要方法，利用乘法器方法和電壓跟隨方法。相對(duì)于前一種方法，后一種方法僅需要一個(gè)開(kāi)環(huán)控制來(lái)保持恒定的占空比。當(dāng)BOOST電路工作在恒占空比的DCM狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)。輸入電流連續(xù)并且近似為正弦波，而且輸入電流連續(xù)可以進(jìn)一步減小輸入的EMI濾波器。本文采用恒占空比方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

　　在穩(wěn)定狀態(tài)，功率MOS管工作在固定的頻率和固定的脈寬。相對(duì)于BOOST變換器，其工作于DCM狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入的高功率因數(shù)；而B(niǎo)UCK變換器則隨著負(fù)載的變化或工作在CCM或DCM狀態(tài)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電源相當(dāng)于一個(gè)直流電源，為了分析的方便，我們把圖2簡(jiǎn)化一下，如圖3所示。

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　　假設(shè)該變換器已工作在穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)應(yīng)與圖4，該變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的各個(gè)工作模式分析如下：

　　模式（a）t0-t1：在t0時(shí)刻，功率MOS管導(dǎo)通。相對(duì)于BOOST變換器而言，二極管D1反向截止；電感電流iL1 流經(jīng)Vs, L1, D3, Ms返回Vs。而對(duì)于BUCK變換器，二極管D1反向截止；電感電流iL2 流經(jīng)C1, L2, C2&R2, D2, Ms返回C1。兩電感均存儲(chǔ)能量。

　　模式（b）t1-t2；在t1時(shí)刻，功率MOS管關(guān)斷。相對(duì)于BOOST變換器而言，電感電流iL1通過(guò)二極管D1續(xù)流；電感電流iL1 流經(jīng)Vs, L1, D3, D1,C1返回Vs。而對(duì)于BUCK變換器，電感電流iL2 也通過(guò)二極管D1續(xù)流，電感電流iL2 流經(jīng)L2, C2&R2, D2, D1返回L2。兩電感均釋放能量。

　　模式（c）t2-t3；在t2時(shí)刻，功率MOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。電感電流iL1降為零，BOOST變換器暫停工作。BUCK變換器仍然工作在續(xù)流狀態(tài)。

　　模式（d）t3-t4；在t3時(shí)刻，功率MOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。電感電流iL2 也降為零。電容C2提供能量給負(fù)載。

　　圖5(a)顯示該變換器工作時(shí)的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的關(guān)鍵波形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，BOOST變換器的電感L1必須被設(shè)計(jì)工作在斷續(xù)狀態(tài)。如圖5(b)所示，輸入電流的峰值會(huì)自動(dòng)跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

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　　當(dāng)要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正時(shí)，本變換器采用恒頻率恒占空比的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。假設(shè)輸入的交流電Vin=Vmsinwt，

　　則輸入電流的峰值：

　　 600)this.width=600" border="0" />        （1）

　?。?）式中T為開(kāi)關(guān)周期，D為占空比，Ton為開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。從圖5（b）可以看出，峰值電流跟隨著kVin的包絡(luò)線。

　　當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，電感向BOOST的輸出電容充電，電流下降。電流下降間

　　 600)this.width=600" border="0" />（2）
　?。?）式中Vc1為BOOST的輸出電容上的電壓。
　　所以變換器的輸入電流

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　　由（6）式可以確定輸入電感L1。
　　Ⅲ 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　仿真所采用的主電路如圖2所示，參數(shù)設(shè)計(jì)如下：交流輸入為正弦波，幅值Vin=310V，頻率f=50hz；BOOST電感L1＝2mH，BUCK電感L2＝2mH；BOOST電容C1=470u，BUCK電容C2＝100u；功率開(kāi)關(guān)管用IRF840；二極管采用MUR840。輸入濾波器電感為2mH，電容為50nf。
　　當(dāng)輸出Vout=86V時(shí)，負(fù)載R=200 歐姆。輸入電壓、輸入電流、輸出電壓的波形如圖6所示。

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　　一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路被用于驗(yàn)證所用電路的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：開(kāi)關(guān)周期為33Khz；輸入交流120V；輸入濾波器參數(shù)為電感2mH，電容0.33uf；BOOST電感L1=1.3Mh，電容C1=470uf;BUCK電感L2=2.1mH，電容C2=1uf；功率開(kāi)關(guān)管為IRF840；二極管為HER107。驅(qū)動(dòng)采用UC3844進(jìn)行控制。
　　當(dāng)輸出電壓Vout=85V時(shí)，測(cè)得輸入電壓電流波形如圖8所示。

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圖8 輸入電壓、輸入電流的波形

　　當(dāng)輸出電壓Vout=225V時(shí)，測(cè)得輸入電壓電流波形如圖9所示。

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圖9 輸入電壓、輸入電流的波形

　　從圖8、圖9中可以看出該變換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，且具有較高的功率因數(shù)。

Ⅳ 結(jié)論

　　本文提出并分析了一種新型的BOOST-BUCK變換器。該變換器具有連續(xù)的輸入電流和輸出電流，且其輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍大。該變換器可用于做直流變換器，也可以用于做功率因數(shù)校正。理論分析和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該變換器的實(shí)用性。