升降压型DC-DC变换器：优化电力效率

时间：2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：升降压型DC-DC变换器结合了上述的Buck型变换器和Boost型变换器的特点。这里将简要介绍Buck-Boost型和Cuk型两种变换器。可以认为，Cuk型变换器是由Buck-Boost型变换器派生的一种电路，输入与输出之间的能量传递是通过电容，而不是Buck-Boost型变换器中的电感。

升降压型DC-DC变换器：优化电力效率

升降压型DC-DC变换器结合了上述的Buck型变换器和Boost型变换器的特点。这里将简要介绍Buck-Boost型和Cuk型两种变换器。

1.Buck-Boost型变换器

Buck-Boost型变换器是采用Buck型变换器与Boost型变换器的一种级联组合方式。它的输出电压既可以低于也可以高于输入电压，输出电压极性与输入相反。

Buck-Boost型变换器的基本电路如图2-10a所示，图2-10b为电路中各主要电压、电流波形。根据流过电感的电流连续与否，Buck-Boost型变换器的工作方式也可以分为电流连续和电流断续两种模式。以下仅就电流连续模式，对Buck-Boost型变换器的基本工作原理做简述。

在T_on阶段，开关管V导通，二极管VD截止，输入电压对电感L充电，电能转换成磁能存储在电感线圈中，二极管反向偏置，滤波电容C_o向负载提供能量，维持输出电压V_o基本不变，即有

在T_off阶段，开关管V截止，电感L中为了保持电流的连续产生下正上负的感应电动势，二极管VD导通，电感L把在T_on时段存储的磁能释放给电容C_o和负载，

即有

图2-10 Buck-Boost型变换器的基本电路及其主要电压、电流波形

电路在稳定工作条件下有

Δi_L（+）=-Δi_L（-）=Δi_L （2-41）

结合式（2-39）、式（2-40）整理可得

上式是以图2-10a中参考电量方向得出的，可见输出电压与输入电压的极性是相反的。当D≤0.5时，|V_o|≤|V_i|；当D＞0.5时，|V_o|＞|V_i|。因此，Buck-Boost型变换器既可以实现升压，也可以实现降压功能。由I_V=DI_L、V_iI_V=V_oI_o可得

由式（2-39）可知，电感电流纹波Δi_L为

可见，变换器中电感电流的纹波值与Boost型变换器类似。

当开关管导通时，输出电容放电为负载提供电流，输出电容的平均放电电流等于I_o。当开关管关断时，电感释放储能为输出电容充电，并提供负载电流。稳态工作时，电容平均充电电流必须等于电容平均放电电流。采用与之前的Boost型变换器电路相同的分析方法，可以求出输出端电压的纹波为

可见，输出电压纹波ΔV_o的表达式与Boost型变换器的类似，可以通过增大开关频率或输出电容值来减小电压纹波。

2.Cuk型变换器

从前面变换器的基本工作原理的分析可知道，对于Buck型变换器，电感L在输出端，输出电流的脉动小于输入电流；对于Boost型变换器，电感在输入端，输入电流的脉动小于输出电流；对于Buck-Boost型变换器，电感L放置在中间支路，导致输入与输出的电流脉动都很大，这样通常还需要在输入侧与输出侧增加滤波环节。而Cuk型变换器可以看作是Boost型变换器和Buck型变换器的串联连接，在输入和输出端都串接有电感，其输入和输出的电流脉动可以得到很好的抑制。如图2-11a所示，L₁为输入储能电感，L₂为输出端滤波电感，C₁为储能电容，C₂为输出端滤波电容。(www.xing528.com)

Cuk型变换器的输出电压可以高于或者低于输入电压，极性与输入电压相反。可以认为，Cuk型变换器是由Buck-Boost型变换器派生的一种电路，输入与输出之间的能量传递是通过电容，而不是Buck-Boost型变换器中的电感。其工作波形如图2-11b所示。根据开关管V的关断时间内，二极管VD上流过的电流是否出现为零状态，Cuk型变换器同样也分为电流连续和电流断续两种模式。以下仅就电流连续模式来讨论Cuk型变换器的基本工作原理。

在开关管V导通期间，电压V_i对电感L₁充电，电容C₁上的电压使二极管VD反向偏置截止，电容C₁通过由开关管V、C₂、负载R_L、L₂构成的回路向负载提供能量，并同时向L₂、C₂传递能量，输出电压依靠滤波电感L₂和C₂维持基本不变。在开关管V关断期间，电感上的电压极性反向，以维持电感电流连续，二极管VD正向导通。电源电压V_i与输入电感L₁的储能为电容C₁充电，输入能量变为电场能存储在C₁中。负载电流由输出电感L₂与输出电容C₂的储能来供电。