摘要：本文简要地介绍了基本变换器的基本原理，指出其特征和关键电路环节，并在此基础上演化出CUK、SEPIC和各种CASCADE电路。

叙词：基本变换器演化。

1引言

DC/DC变换器伴随现代电力电子技术在不断地进步，但其基本形式和基本原理是不变的，都是在基本形式和基本原理上通过不同形式的组合变异演化出各种满足不同性能要求的新型DC/DC变换器。DC/DC基本变换器实际只有三种，即BUCK、BOOST、INVERTOR（或称FLYBACK）。

(a)BUCK变换器主电路(b)BUCK变换器主要波形 图1BUCK变换器电路及主要波形

2基本变换器基本原理及特征

2.1BUCK变换器

BUCK型DC/DC变换器是应用广泛的电路形式，其主电路及相关波形如图1。基本原理为：通过控制Q的导通与关断，在A点形成受控的PWM矩形脉冲波，经LC低通滤波器，将PWM矩形脉冲波解调成受PWM控制的直流电压。其输入输出关系为：

图2BUCK基本变换器功能单元

（1）

电路特点：Q导通，Vin向V0供电，多余电能存储在L中；Q关断，L通过D向V0释放储能。

BUCK电路可分为两个主要部分：开关Q与二极管D和低通滤波器LC。Q、D的作用是：在A点（低通滤波器前）形成受PWM矩形脉冲；而低通滤波器的作用是：将受控的PWM矩形脉冲解调成受PWM控制的直流电。因此可以认为：在LC低通滤波器前加上受控的PWM矩形脉冲，电路就可以完成BUCK的主要功能，并且输入输出关系同式（1），其中Vin为受控PWM矩形脉冲幅值，如图2。

很明显，BUCK变换器主要应用于降压电路。

2.2 BOOST变换器

对于同极性升压，可以采用BOOST电路解决。电路及主要波形，如图3。输入输出关系为：

V0=Vin/(1-D )（2）

2.3INVERTOR（FLYBACK）变换器

FLYBACK变换器的应用仅次于BUCK变换器，可以实现各种功能。其基本电路及主要波形如图4，输入输出关系为：

 

V0=Vin·(-D)/(1-D)(3)

图3BOOST变换器基本电路及波形

图4FLYBACK变换器主要波形

 

图5BUCK电路的演化图6BOOST电路的演化

3基本变换器的演化

利用上述三种基本变换器的等效变换和不同组合，可以演化出多种派生变换器，其基本原则为：只用一个开关，以简化控制方式。

3.1演化的基本准则

基本DC/DC变换器演化的准则为：在不考虑输入输出参考电位关系的条件下，输入输出电压关系不变，电路拓扑关系不变，即等效变换。在这个基本准则下，电路的演化可以通过元件的易位实现。如图5的BUCK，图6的BOOST，图7的FLYBACK的各电路，虽然电路中元件的位置发生变化，但由于电路的拓扑关系没变，输入输出电压关系没变，因此，演化后的电路与演化前电路是等效的。由于电路中开关管实际上是单向导电的。所以在开关管上串联二级管后等效，变换关系依然成立。

3.2CUK变换器

将BOOST与BUCK级连，可以组成CUK电路。其组合过程图8。

由图8的电路转换过程可以看到，当BOOST，BUCK电路经适当变换后，两电路中的Q、D、C可以重合，最终组合成图8(c)，电路即CUK电路。其中，BUCK供电电源为前级输出电容C。由于组合过程中电容电压参考考方向有一次反向，因此CKU电路输入输出电压关系为：

（4）

与CUK电路输入输出电压关系一致。

 

图7FLBACK电路的演化

图8BOOST与BUCK构成的CUK的演化过程

3.3SEPIC变换器

将BOST电路与FLYBACK电路组合成SEPIC电路的过程如图9。

图9BOOST与FLYBACK构成SEPIC的演化过程

由图9的电路转换过程可以看到：当BOOST，FLYBACK电路经过适当变换后，两电路中的Q、C1、D、C2可以共用，而FLYBACK电路中的L2实际上在BOOST电路中将在电路分析中不起作用。因此在电路演化过程中，可以附加在BOOST电路中，这样就完成了SEPIC电路。整个演化过程中重要的一步是：将基本BOOST输出电容C′和C0（即输出），则输入、输出关系为：

Vc1+V0=Vin/(1－D)

V1=D·Vc1/(1－D)

V1=D·Vin/(1－D)（5）

与SEPIC输入出关系相同。

3.4Zet变换器

图10FLYBACK与BUCK电路组合 变换组成Zet变换器的演化过程

将SEPIC变换器中的Q，D位置互易，输入输出关系互易，即得Zet变换器，如图10(e)。变换器可以认为是由FLYBACK与BUCK电路组成演化而成。但为使第二级BUCK电路工作，又不增加电路复杂性，仅选取了BUCK电路中的基本功能单元部分（图2电路），同时取第一级FLYBACK电路的二级管D的电压作为第一级输出，由图10(d)可以看到，前级输出波形与后级输入波形相同，而且二级管D可以共用，故可组合而成图10（e）Zet变换器，其输入输出关系为：C1上电压为左负右下正，其值：

（6）

第二级的输入电压则为Vin+VC，这时认为电容器C1等效为幅值Vin·D/(1－D)的电压源，同时忽略L1对后级的作用，图10（e）电路则等效成输入端送加一Vin·D/(1－D)的电压源，如图11。故等效输入电压为：

图11图10(e)电路的C1用电压源等效

第二级输入输出关系为：

其中，则总输入输出电压关系为：

3.5FLYBACK的级联

将两个FLYBACK电路组合后，可得单开关FLYBACK级联，其演化过程如图12。其中演化过程需注意的是，第二级在图12(b)中的极性反转，以对应前级输出极性；在图12(c)中，第二级回路中加一个二级管D2，以阻止与第一级连接后，在Q关断期间第一级电流窜入第二级。将图12(c) 第一级与第二级中的Q、C重合，得图12(d)电路，输入输出关系为：

从这一关系也可以看出：这种电路形式在大降压比（如10～40）仍能保持较大的占空比，提高了开关管及储能元件的利用率。

3.6BOOST的级联

将两个BOOST电路组合后，可实现单开关BOOST级联电路，其演化过程如图13。在演化过程中引入二级管D3，以阻断L2在Q2关断期间的无效能量释放回路，第二级输入为第一级输出，即以C1作为第二级供电电源。当电路等级变换为图13(c)时，可以将左右两电路的C1，Q共用，组合成电路图13(d)，电路等效变换成立。其中L2在Q导通期间，L1电流经D3流过Q。因此电流关系不受L2影响。Q关断期间，L1储能，经D1向C1释放。L2储能经D2向C1释放，D3阻止了L2的无效释放回路。因此，前后级仍互不干扰。其输入输出关系为：

图12FLYBACK级联电路的演化

（8）

图13BOOST级联电路的演化过程

由式（8）可以得出，在相同占空比条件下，BOOST级连电路比单级BOOST电路升压比高，因此可以用于高升压比电路。

图14FLBACK与BUCK级连的演化过程

3.7FLYBACK与BUCK的级联

将FLYBACK电路与BUCK电路级联组合，其等效变换与演化过程如图14。演化过程中两级间加入阻塞二极管D3，以阻断首级对后级的有害回路。经过电路由图14(a)到图14(e)电路，变换器输入输出电压关系为：

4 结语

综上所述，目前绝大多数DC/DC变换器均基于基本变换器原理构成，可以用基本变换器的理论分析与计算。因此，应该充分运用基本变换器具原理去分析各种已有或新型的DC/DC变换器，这样可以节约时间和精力用于运用演化思路形成丰富多彩的新型DC/DC变换；本文中除Zet变换器外，所有DC/DC变换器经组合演化后均为输入输出共地，单开关共地，有利于IC对开关管的驱动和输出电压诉直接控制简化电路。

 

 

本作品发表于《中国电源学会第14届全国电源技术年会论文集》。

作者简介：王国玲，女，1978年生，辽宁工学院信息科学与工程系硕士研究生。