电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析
Buck-Boost电路建模及分析
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(b) Boost型电路结构(c) Buck-Boost型电路结构图1-1 DC-DC变换器的三种电路结构本课题针对Buck-Boost变换器的建模分析进行深入研究，以优化开关电源的性能和提高设计效率。
buck电路拓扑及其工作原理
buck电路拓扑及其工作原理1. 引言在现代电子设备中，为了提供稳定的电源供应，经常需要使用直流电源转换电路。
Buck电路是一种常用的直流电源转换电路，可将高电压降低为所需的低电压。
本文将介绍Buck电路的拓扑结构以及其工作原理。
2. Buck电路基本结构Buck电路采用开关元件控制电能的传递，由以下几个基本组成部分构成：2.1 输入电源输入电源为Buck电路提供能量，可以是直流电源或者交流电源连接的整流电路。
2.2 开关元件Buck电路中常用的开关元件有MOSFET和二极管。
其中，MOSFET可将电能从输入侧传递到输出侧，而二极管则起到反向导电的作用。
2.3 能量储存元件能量储存元件用于储存和传输能量，常用的元件包括电感和输出电容。
电感在Buck电路中起到储能的作用，而输出电容则用于平滑输出电压。
2.4 控制电路控制电路用于监测输出电压，并根据需要调节开关元件的导通时间以控制输出电压的稳定性。
3. Buck电路工作原理Buck电路的工作原理可以分为两种工作状态：导通状态和截止状态。
下面将详细介绍这两种状态下的工作原理。
3.1 导通状态在导通状态下，MOSFET导通，电流从输入电源经过电感流向输出电容和负载。
此时，电感储存能量，输出电流为正。
3.2 截止状态在截止状态下，MOSFET截止导通，电流无法通过，此时，电感释放储存的能量，输出电流为零。
二极管反向导电，维持输出电路的稳定。
3.3 工作周期Buck电路在导通状态和截止状态之间不断切换，形成工作周期。
每个工作周期可分为导通时间和截止时间。
4. Buck电路工作原理的优势及应用Buck电路具有以下优势：4.1 高效性Buck电路采用开关控制，通过调节开关元件的导通时间，可以实现高效能量转换。
4.2 可变输出通过控制电路调节开关元件的导通时间，可以实现不同的输出电压。
4.3 稳定性控制电路监测输出电压，可以及时调整开关元件的导通时间，保持输出电压的稳定性。
(完整版)BUCK和BOOST电路
直流BUCK 和BOOST 斩波电路一、 B UCK 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t on 为V 处于通态的时间，t off 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=t on /T)。
由此可知，输出到负载的电压平均值U O 最大为U i ，若减小占空比α，则U O 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t on 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t off 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、 B OOST 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)U i I 1t on =(U O -U i ) I 1t offii on i off on on o aU U TtU t t t U ==+=U GE U D t t tU Ot on t of fT U iVDL C -+-+U EGC R 11U D +-上式中的T/t off ≥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。
BUCK-BOOST电路工作过程分析及说明
BUCK-BOOST电路工作过程分析及说明一、直流斩波电路的基本原理Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器，其电路如图4.8。
与Buck和Boost电路不同的是，电感L f在中间，不在输出端也不在输入端，且输出电压极性与输入电压相反。
开关管也采用PWM控制方式。
Buck/Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式，此处以电感电流在连续状态下的工作模式。
图4.8是电感电流连续时的主要波形。
图4.10是Buck/Boost变换器在不同工作模态下的等效电路图。
电感电流连续工作时，有两种工作模态，图4.11(a)的开关管Q导通时的工作模态，图(b)是开关管Q关断、D续流时的工作模态。
V o图4.9电路ArrayVi LFi Qi DV图4.10感电流连续工作波形V oV o(a) Q 导通 (b) Q 关断，D 续流图5.11 Buck/Boost 不同开关模态下等效电路二、电感电流连续工作原理和基本关系电感电流连续工作时，Buck/Boost 变换器有开关管Q 导通和开关管Q 关断两种工作模态。
1.在开关模态1[0~t on ]：t=0时，Q 导通，电源电压V in 加载电感L f 上，电感电流线性增长，二极管D 戒指，负载电流由电容C f 提供：f L fin di L V dt=(2-1)oo LDV I R =(2-2)ofo dV C I dt= (2-3)t=t on 时，电感电流增加到最大值max L i ，Q 关断。
在Q 导通期间电感电流增加量f L i ∆f inL y fV i D T L ∆=⋅ (2-4)2.在开关模态2[t on ~ T]:t=t on 时，Q 关断，D 续流，电感L f 贮能转为负载功率并给电容C f 充电，f L i 在输出电压Vo 作用下下降：f L fo di L V dt=(2-5)f o o oL fo f LDdV dV V i C I C dt dt R =+=+ (2-6)t=T 时，f L i 见到最小值min L i ，在t on ~ T 期间f L i 减小量f L i ∆为：(1)f o o L off y f fV Vi t D T L L ∆=⋅=- (2-7)此后，Q 又导通，转入下一工作周期。
电源拓扑结构介绍----Buck-Boost(第4周)
模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模
态a和b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周期内 是断续的也就是有一段时间电感电流为零(三种开关模态 a、b 和c)。
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Buck-Boost变换器工作在不同模态的等效电路
L1 470u C1
R1
36 V1 47
IRF530
L1 470u C1 D1 R1 C1 R1
量等于它在Q截止期间的减小量。即：
iLf ( ) iLf ( ) iLf
由前面的分析可以得到：
V0 Vin Dy 1 Dy
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Vin Lf
* D y * Ts
V0 Lf
* (1 D y ) * Ts
化简得到：
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V0 Vin
Dy 1 Dy
从上式可以看出：当Dy=0.5时，V0=Vin；若Dy<0.5, 则V0<Vin，实现降压。若Dy>0.5时，则V0>Vin。即 Buck/Boost变换器的输出电压即可低于也可高于输入电压 Vin。 MOS管Q截止时，加于其上的电压VQ为：
Vin Lf * Ton Vin Lf * D y * Ts
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(2) 模态2 [Ton—Ts] [对应于图 (b)] 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D续流，电感Lf的 储能向负载和电容Cf转移，给Cf充电。此时加在Lf上的电 压为-V0，故iLf线性减小。 在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf 的减小量ΔiLf（-）=
（2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电
压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,
电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析
电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析电压双象限Buck-Boost电路拓扑及分析摘要：在传统全桥电路的基础上利用单象限电路研究新的电路，达到拓宽现有电路拓扑应用领域的目的。
介绍了电压双象限Buck，Boost，Buck/Boost电路以及对他们的开关器件关断和开通的分析。
关键词：变换器；拓扑；双象限；电压控制引言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。
BUCK_BOOST电路原理分析
BUCK_BOOST电路原理分析BUCK_BOOST电路由多个关键元件组成，包括功率开关、电感、电容和控制电路。
功率开关是一个开关管，可以通过控制其通断状态来调整输出电压。
电感在电路中起到储能器的作用，将能量从输入端传输到输出端。
而电容则用于滤波，减小输出端的纹波电压。
BUCK_BOOST电路具有特定的工作原理。
在正常工作状态下，功率开关周期性地打开和关闭。
当功率开关闭合时，输入电流通过电感和功率开关进行充电。
当功率开关打开时，储存在电感中的能量通过电容释放到输出端，输出端得到一个较低的电压。
当功率开关再次闭合时，电容开始接收能量并充电，迅速提高输出端的电压。
BUCK_BOOST电路的输出电压可以由控制电路进行调节。
控制电路通过检测输出电压并与设定值进行比较，来生成一个控制信号。
控制信号会被送到功率开关，以调整其通断状态，从而使输出电压达到设定值。
一般来说，控制电路会采用脉冲宽度调制（PWM）技术来实现输出电压的精确控制。
BUCK_BOOST电路的优点在于其高效率和可靠性。
由于使用了电感和电容进行能量转换和储存，因此可以实现较高的能量利用率。
同时，功率开关通过周期性的开关动作来控制输出，减小了开关损耗，提高了电路的效率。
此外，由于采用了闭环控制系统，BUCK_BOOST电路对输入电压和负载的变化有一定的适应性，能够稳定地提供所需的输出。
然而，BUCK_BOOST电路也存在一些限制。
首先，电路中的组件需要根据具体的设计要求进行选择和匹配，以保证电路的稳定性和效率。
其次，由于电感和电容储存了一定的能量，在进行维护和使用时需要注意安全问题。
此外，BUCK_BOOST电路的设计和调试都需要一定的专业知识和经验。
综上所述，BUCK_BOOST电路是一种实现DC-DC变换的重要电路，可以通过改变输入电压的极性和大小来调整输出电压和电流。
其工作原理基于电感和电容的能量转换和储存，通过控制功率开关的通断状态来实现输出电压的精确调节。
BUCK_BOOST电路原理分析
BUCK_BOOST电路原理分析BUCK-BOOST电路是一种常用的电源变换电路，可以将输入电压转换为更高或更低的输出电压。
它是基于开关电源工作原理的一种变换电路，通过控制开关管的导通和断开，来实现电源电压的变换和稳定输出。
BUCK-BOOST电路的基本原理如下：1.电感的作用：BUCK-BOOST电路中，电感起到存储能量的作用。
当开关管导通时，电感充电，存储电能；当开关管断开时，电感放电，释放电能。
通过电感的存储和释放，可以使得输出电压保持平稳。
2.开关管控制：BUCK-BOOST电路中的开关管通常为MOSFET管或BJT 管。
通过控制开关管的导通和断开，可以控制电感充电和放电的时间。
当开关管导通时，电感充电，输出电压增大；当开关管断开时，电感放电，输出电压降低。
3.反馈控制：BUCK-BOOST电路通常会添加反馈控制回路来实现电压的稳定输出。
在反馈控制回路中，通过采样电路获取输出电压信号，并与参考电压进行比较，得到误差信号。
然后通过控制开关管的导通和断开，来调整输出电压，使得误差信号逐渐趋近于零，实现稳定输出。
4.脉宽调制（PWM）控制：BUCK-BOOST电路通常使用脉宽调制控制方法来实现开关管的控制。
脉宽调制就是根据误差信号改变开关管的导通时间，使得开关管导通时间与断开时间按照一定规律改变，从而实现稳定的输出电压。
5.滤波电容的作用：BUCK-BOOST电路中，通常会添加滤波电容，用于平滑输出电压。
滤波电容能够吸收电感放电过程中的脉动，并保持输出电压的稳定性。
总的来说，BUCK-BOOST电路是通过控制开关管的导通和断开来实现电压的变换和稳定输出的。
通过电感的存储和释放能量、反馈控制回路、脉宽调制控制和滤波电容的作用，可以实现输入电压到输出电压的变换，并保持输出电压的稳定性。
BUCK-BOOST电路在电源设计中具有广泛的应用，可满足不同电压要求的设备需求。
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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。
输出电压平均值为 Uo=DUd
1.2.2 运行于第四象限
这是指输出端电压平均值为负而电流平均值为正的工作状态。
当电路负载为电动机且驱动位能性负载，如卷扬机的提升机构，当放下重物时，电机在重物作用下反转，电枢感应电势反向，电磁转矩成为制动转矩，为了保证安全，必须改变控制信号的极性和幅值，使电路工作于第四象限，将位能经过变换电路反馈到直流电源。
具体工作过程如下。
(DT≤t≤T)S1及S2均断开，电感端电压反向，D1，D2正偏导通，等效电路如图3(a)所示，输出电压Uo为－Ud，负载反馈能量。
（0≤t≤DT）S1断开，S2导通，负载电流由D2换到S2中。
等效电路如图3(b)所示，Uo的值为零。
输出电压平均值为 Uo=－DUd
由以上分析可知此电路及其控制策略可以实现双象限Buck电路功能。
2 Boost电路
2.1 电路结构
主电路如图4所示。
图中S1，S2，S3为全控型器件，D1及D2为不控型器件。
负载依然为有源负载，直流输入端串联电感。
S1，S2，S3的控制采用PWM 控制，此电路的元器件、电源、负载同样假设为理想的。
输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。
可以看出，本电路的设计思想也是利用全桥实现双象限运行，其好处在于简单、可靠。
2.2 工作原理
2.2.1 运行于第一象限
(DT≤t≤T)S1断开，S2及S3均导通，等效电路如图5(a)所示，电感电压UL=Ud－Uo。
0≤t≤DT）S1，S2，S3均导通，等效电路如图5(b)所示，电感电压UL=Ud。
输出电压平均值为 Uo=Ud/（1－D）
2.2.2运行于第四象限
(DT≤t≤T) S1，S2，S3均断开，电感端电压反向，D1及D2正偏导通，等效电路如图6(a)所示，电感电压UL=Ud＋Uo。
（0≤t≤DT） S1导通，S2及S3均断开，等效电路如图6(b)所示，电感电压UL=Ud。
输出电压平均值为 Uo=－Ud/（1－D）
3 Buck-Boost电路
3.1电路结构
主电路如图7所示。
图中S0，S1，S2，S3，S4为全控型器件。
负载依然为有源负载，直流输入端并联电感Lo。
所有开关均采用PWM控制，此电路的元器
件、电源、负载同样假设为理想的。
输出滤波电感足够大，可保证负载电流连续，且线性升降。
此电路与双象限Boost电路不同之处是主开关与电感相互交换位置。
也是利用单象限Buck Boost电路的主电路衍生出来的，并利用全桥全控电路实现双象限功能。
改变占空比D可以实现升压或降压功能。
3.2 工作原理
3.2.1 运行于第一象限
（0≤t≤DT） S0，S1，S2均导通，S3及S4断开，等效电路如图8(a)所示，电感电压UL=Ud。
(DT≤t≤T) S0，S1及S3断开，S2及S4导通，等效电路如图8(b)所示，电感电压UL=－Uo。
3.2.2 运行于第四象限
(DT≤t≤T) S0，S2，S4断开，S1及S3导通，电感端电压反向，等效电路如图9(a)所示，电感电压UL=Uo。
（0≤t≤DT）S0，S3，S4导通，S1及S2断开，等效电路如图9(b)所示，电感电压UL=Ud。
输出电压平均值为Uo=-DUd/(1-D)
4 结束
本文在传统的单象限Buck、Boost、Buck-Boost电路的基本上衍生了双象限的Buck、Boost、Buck-Boost电路，并且分析了其具体的工作过程。
本文的分析为双象限电路及直流变换电路的研究提供了新的思路。