夏益輝，趙鏡紅，張俊洪

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基于H橋的DC-DC變換器理論分析與仿真研究

夏益輝，趙鏡紅，張俊洪

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院， 武漢 430033)

傳統(tǒng)的Buck電路只能實(shí)現(xiàn)單極性輸出，而對(duì)于一些需要雙極性輸出的場合如直流電機(jī)勵(lì)磁控制器等，則不能滿足應(yīng)用要求。基于H橋的DC-DC變換器在保證與Buck電路相同輸出性能的前提下，可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。分析了基于H橋的DC-DC變換器基本結(jié)構(gòu)，探討了其基本工作原理，并對(duì)其在開環(huán)控制下輸出性能進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明基于H橋的DC-DC變換器是可行的。

單極性輸出 雙極性輸出 H橋 DC-DC變換器

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)品種類不斷增加，電源作為電子產(chǎn)品的重要部件，廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、航空航天、船舶業(yè)和國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域和部門。相對(duì)于傳統(tǒng)的線性電源，DC-DC變換器因其具有變換效率和功率密度高等優(yōu)異性能而得到越來越廣泛的應(yīng)用，并正朝著高可靠性、高變換效率、低噪聲、高頻和高功率密度等方向發(fā)展[1-3]。

傳統(tǒng)的Buck電路由于電路簡單、易于控制和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前在DC-DC變換器中應(yīng)用依然比較廣泛。文獻(xiàn)[4,5]針對(duì)Buck電路小ESR電容時(shí)輸出易發(fā)生諧波振蕩問題進(jìn)行了分析和抑制，取得了較好的效果；文獻(xiàn)[6,7]提出采用固定關(guān)斷時(shí)間控制用于提高Buck電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和輕載效率等，可滿足VRM對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和輕載效率的要求；文獻(xiàn)[8]對(duì)固定關(guān)斷時(shí)間控制進(jìn)行了改進(jìn)，有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，文獻(xiàn)[9]對(duì)于Buck電路的控制方法進(jìn)行了分析和研究。

針對(duì)傳統(tǒng)Buck電路無法實(shí)現(xiàn)雙極性輸出的問題，對(duì)其電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于H橋的DC-DC變換器，通過對(duì)其進(jìn)行理論分析和仿真研究，基于H橋的DC-DC變換器可以獲得與傳統(tǒng)Buck電路相同的輸出性能，并可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。

1 H橋DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

H橋DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要包括直流供電電源、功率管、濾波電感和濾波電容。濾波電感用于濾除高頻諧波電流，濾波電容用于濾除高頻諧波電壓。圖1（b）為傳統(tǒng)Buck 電路結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，基于H橋的DC-DC變換器比傳統(tǒng)Buck電路多了3個(gè)功率管，但少了一個(gè)續(xù)流二極管。

（a）H橋DC-DC變換器

（b）傳統(tǒng)Buck變換器

圖1 兩種DC-DC變換器基本結(jié)構(gòu)

2 H橋DC-DC變換器工作原理

2.1 電容上端“+”下端“-”

等效電路如圖2所示。V1作為方向管，用于控制電容輸出極性，V4為斬波管，用于調(diào)整電容兩端輸出電壓大小。

圖2電容上端“+”下端“-”等效電路

圖2共有兩種工作模態(tài)：V1和V4同時(shí)導(dǎo)通、V1導(dǎo)通V4關(guān)斷。V1和V4同時(shí)導(dǎo)通如圖3（a）所示，電流由直流電源“+”端流出，經(jīng)V1、電感L向電容C和負(fù)載供電，經(jīng)V4流向直流電源“-”端，輸出電壓c為上“+”下“-”。V1導(dǎo)通，V4關(guān)斷如圖3（b）所示，電流經(jīng)V1、電感L和電容C（負(fù)載）以及V3的二極管續(xù)流，在V4下一個(gè)開關(guān)周期導(dǎo)通前，若電感中的電流不為0，則為續(xù)流模式；若電感電流為0，則稱為斷流模式。

（a）V1和V4同時(shí)導(dǎo)通

（b）V1導(dǎo)通，V4關(guān)斷

圖3 V1和V4不同開關(guān)狀態(tài)工作模式

假定功率器件、電感和電容都為理想器件，線路中等效阻抗為零，從圖3可以獲得在一個(gè)開關(guān)周期s內(nèi)輸出電流輸出電壓如圖4所示。

圖4 電感電流輸出電壓波形（連續(xù)模式）

由圖4可得輸出電壓ab及其平均值c為：

2.2 電容上端“-”下端“+”

等效電路如圖5所示。V3作為方向管，用于控制電容輸出極性，V2為斬波管，用于調(diào)整電容兩端輸出電壓大小。

圖5電容上端“-”下端“+”等效電路

圖5共有兩種工作模態(tài)：V2和V3同時(shí)導(dǎo)通、V3導(dǎo)通V2關(guān)斷。V2和V2同時(shí)導(dǎo)通如圖6（a）所示，電流由直流電源“+”端流出，經(jīng)V3、電容C（負(fù)載）和電感L，再由V2流向直流電源“-”端，輸出電壓c為上“-”下“+”。V3導(dǎo)通，V2關(guān)斷如圖6（b）所示，電流經(jīng)V3、電容C（負(fù)載）電感L以及V1的二極管續(xù)流。從圖中可以看出，輸出電壓平均值c為負(fù)的。

由上述分析可知，采用基于H的DC-DC變換電路，可以實(shí)現(xiàn)雙極性的電壓輸出。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提H橋的DC-DC變換器是否可行，對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示。

圖7（a）為輸出電壓正極性時(shí)H橋DC-DC變換器（上面三個(gè)）和傳統(tǒng)Buck電路（下面三個(gè)）輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流波形。圖7（b）為輸出電壓由正極性突變?yōu)樨?fù)極性。

（a）V2和V3同時(shí)導(dǎo)通

（b）V3導(dǎo)通，V2關(guān)斷

圖6 V2和V3不同開關(guān)狀態(tài)工作模式

表1 H橋DC-DC變換器參數(shù)

從圖7（a）可以看出， H橋DC-DC變換器和傳統(tǒng)Buck電路輸出性能相當(dāng)；從圖7（b）可以看出，通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的極性轉(zhuǎn)換。開關(guān)管占空比為0.3，輸出電壓為75 V，基本實(shí)現(xiàn)了輸出期望電壓的目的。

（a）正極性輸出

（b）輸出電壓由正極性轉(zhuǎn)換為負(fù)極性

圖7 輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流仿真結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)Buck電路無法實(shí)現(xiàn)雙極性輸出的問題，提出一種基于H橋的DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)，對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。仿真結(jié)果表明，采用所提的H橋DC-DC變換電路不僅可以獲得與傳統(tǒng)Buck電路相當(dāng)?shù)妮敵鲂阅?，同時(shí)可以雙極性輸出。

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Simulation Research and Theoretical Analysis on DC-DC Converter Based on H-Bridge

Xia Yihui, Zhao Jinghong, Zhang Junhong

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2017）12-0015-04

2017-09-22

夏益輝（1987-），男，講師，博士。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。E-mail: xiayihui2005@163.com