先进的降压-升压(Buck-Boost)工作原理

本文对 DC-DC 转换器进行了分类，并讨论了它们的优点和局限性。它提出了一种改进的 DC-DC 转换器拓扑，结合了 Cuk 和正输出 Super Lift Luo 拓扑，以更少的组件实现更高的电压增益。

降压转换器通常将输入电压调节至从零到略小于输入电压的值。另一方面，升压转换器在电感器中存储能量的模式和电感器释放以满足输出要求的模式和电感释放存储的能量以重新对电容器充电同时保持整体能量平衡的模式之间切换电路。在传统的降压-升压转换器的情况下，这两种操作都是可能的。基本转换器的几种变体可用于在低频和高电压水平下工作。但是，基本原理对于所有人来说都是共同的。

简单来说，降压-升压转换器可以从电压水平小于或大于输出电压的电源提供稳定的直流输出。一些应用需要具有调制输入电压的能力，包括输入电压变化很大的电池等储能系统。这是因为可以调节电池的充电周期和放电周期。当电池充满电时，电池两端的电压通常大于所需的输出电压。在这种情况下，可以使用降压转换器来保持稳定的电源电压。同样，当电池放电时，电压水平降低，是导致电池处于需要充电才能使用的阶段。

先进的降压-升压(Buck-Boost)工作原理

众所周知，降压-升压(Buck-Boost)转换器将输入侧的正直流电压转换为输出侧的负直流电压。开关的导通状态决定了电路的工作性质。

在导通状态经电感器的电流线性增加。二极管不导通。如图 2 所示。在关断状态下，二极管传导电流，能量从电感器传递到电容器。这导致电感电流的减小，尽管通过电感的电流不能突然改变[。如图 3 所示。需要注意的是，能量从电感器传递到电容器，导致电阻器两端的电压与输入电压相比，其极性相反。

3.降压-升压转换器的关断状态工作原理

在电路的稳态工作期间，可以根据电感电流值定义两种工作模式。如果电感电流从未达到零，则称为连续导通模式。但是，如果电感电流达到零，则电感器以不连续工作模式。

降压-升压(Buck-Boost)工转换器的输入电压和输出电压之间的关系可以用以下公式表示：

Vout=DVin/(1D)

其中 D 是占空比。

占空比定义为开关导通时间的百分比。换句话说，电感和电容的并联组合形成二阶低通滤波器，通过降低电压纹波来平滑开关动作，同时产生干净的直流电压。

DC-DC 转换器是电动汽车 (EV)、交通、可再生能源供电的微电网等所必需的。DC-DC 转换器是有效能源管理的重要接口。

DC-DC转换器的分类

DC-DC转换器拓扑有两种类型 ：

● 隔离转换器

● 非隔离转换器

隔离转换器

将负载和输入源分开的高频变压器是隔离拓扑的主要组件。敏感负载可能需要这种隔离。这种隔离可以保护负载免受可能发生的输入侧故障的影响。

绕组匝数比是提高隔离转换器电压比的主要因素。值得注意的是，所建议的因素具有重大的负面影响，包括

● EMI 噪声

● 需要使用能量回收电路的剩余电流

● 损失增加

● 由于该组件的磁性基础导致功率密度下降

非隔离转换器

使用非隔离拓扑时，不必隔离输入源和负载。因此，大多数应用，包括高强度放电灯 (HID) 和可再生能源，都使用非隔离转换器。

HID 照明所需的电压范围为 100 V 至 250 V。不过，汽车电池的最大电压为 12 V，可以提供这样的电压。车辆无法承受因使用隔离拓扑而增加的重量。因此，有必要使用非隔离转换器。

光伏电池板和其他形式的可再生能源是第二个案例研究的主题。15 V 至 65 V 之间的电压是转换器的输出。

非隔离 DC-DC 转换器的类型

能够提高输入电压的传统非隔离 DC-DC 转换器有

● 升压

● 降压-升压

●库克

● SEPIC 拓扑

非隔离拓扑面临的挑战

在所描述的所有拓扑中，升压拓扑可以将输入电压电平提高每个占空比值。对于 SEPIC 和 Cuk 拓扑，其输入电流也是连续的。

值得注意的是，Cuk 和降压-升压转换器失去了公共地和输入源的负载。所有讨论的拓扑都有相同的缺陷。除了低占空比和足够的效率之外，它们无法提供高电压增益值。针对这个问题提出的解决方案是使用Luo转换器。

正输出超升罗 (POSLL) 转换器

通过使用较小的占空比百分比，电压提升技术将电压增益提高到更大的量。该转换器被描述为正输出超升罗 (POSLL) 转换器。

此拓扑的计数较低。其设计包括

● 电感1个

● 1个开关

● 两个二极管

● 两个电容

局限性

该转换器比传统转换器具有更大的电压增益。当占空比接近 50% 时，POSLL 转换器的电压增益增加到 3。相反，该值在降压-升压、SEPIC 和 Cuk 拓扑中为 1，在升压拓扑中为 2。

基于上述想法，必须提供替代拓扑，因为 POSLL 转换器的电压增益没有预期的那么大。

建议的拓扑结构

本文提出了一种改进的二次 DC-DC 转换器。Cuk 和 POSLL 转换器之间重新设计的连接构成了转换器的拓扑。因此，建议转换器的电压增益采用电压提升方法和二次拓扑。

图 1(a) 显示了建议的转换器的图示，它由

● 两个电感(L1 和 L2)

● 三个电容器(C1、C2 和 Co)

● 三个二极管(D1、D2、D3)

● 两个开关(S1 和S2)

如图 1(b) 所示，所提供的拓扑是 Cuk 和 POSLL 拓扑初始部分相结合的结果。值得注意的是，升压转换器的输出和Cuk转换器中第一个电容器的电压是相同的。这样一来，第一步的电压就已经足够升高了。

第二个组件接收来自第一个电容器的电压，如图1(b)所示。此部分为红色，与 POSLL 相关。由于所示的架构，输入源电压已分两步增加。

当转换器处于连续导通模式 (CCM) 时，它以两种模式运行。第二个二极管和开关同时激活。其余的半导体也被钝化。

根据对其拓扑结构的彻底检查，该转换器早期使用的 Cuk 拓扑结构成功地确保了输入电流的连续性。此外，传统 Cuk 拓扑缺乏共同点的问题已通过解释 Cuk 拓扑的方式得到解决。

为了提取转换器的核心关系，有必要考虑某些因素。在理想模式和稳态模式下研究了转换器的结构。

结论

在建议的拓扑中，50% 占空比提供的电压增益是原来的六倍。除了高电压增益之外，还存在输入电流连续性。此外，与 Cuk 和 POSLL 转换器的级联连接相比，所得拓扑具有更好的电压增益和更少的组件。

最近提出的转换器中的几种半导体具有更大的电压和电流应力值。此外，所提出的拓扑中两种半导体的电压和电流应力均有所降低。所提出的转换器的拓扑结构用更少的元件产生了更好的电压增益水平。

总结要点

● DC-DC 转换器对于电动汽车、交通和可再生能源应用中的能源管理至关重要，是有效能源管理的重要接口。

● 本文将 DC-DC 转换器全面分类为隔离式和非隔离式拓扑，并强调了它们各自的优点和局限性。

● 建议将Cuk 和POSLL 拓扑组合成新的二次DC-DC 转换器拓扑，该拓扑将具有更高的电压增益和更少的部件。

● 非隔离式转换器由于能够处理更高的电压水平，因此对于各种应用(包括高强度放电灯和可再生能源)来说是不可或缺的。