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 Conduction Mode。
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。