電力電子教學中隔離型Buck-Boost變換器的講解方法研究

胡雪峰，王 琳，郭 蕊，代國瑞

（安徽工業大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

1 引言

隔離型Buck-Boost變換器（Flyback）具有拓撲結構簡單，輸入輸出電氣隔離，升/降壓范圍廣，多路輸出及負載自動均衡等優點,而被廣泛應用于電視機、DVD和充電器等小功率電器的電源中.然而在實際教學中，我們發現許多數學生對該電路工作原理的理解相對困難，而且對類似電力電子電路結構的把控比較孤立,缺乏系統性.針對這一問題如何在較少的學時內,高質量地完成該節教學任務,引起作者在教學過程的深入思考.本文探索一種新的講解方法，先給出電路結構的由來，再將理論教學與Matlab/Simulink可視化仿真軟件相結合，講清原理的同時用虛擬儀器實時演示的方法將理論分析直觀化,既增強了師生之間的互動性，又能加深學生對概念的理解能力，進一步提高了理論教學過程的效率和課堂的生動性,大大改善了教學效果.

2 隔離型Buck-Boost變換器的結構分析

教學過程中可以首先明確Buck、Boost和Buck-Boost變換器是三種最基本的DC/DC變換器，是其它變換器的原始結構.一般情況下，多數教材首先安排了非隔離型Buck-Boost變換器的教學內容，由于常規Buck-Boost變換器僅僅通過電感向輸出端傳送能量，與基本Buck或Boost變換器的工作原理非常相似，其工作模式（CCM或DCM）的判斷和理解都比較容易.所以本節講解時可以首先給出非隔離型Buck-Boost變換器向隔離型Buck-Boost變換器演變的過程，同時講解為什么能夠這樣演變，演變后的電路結構具有哪些新的特點？然后再進行原理分析，就顯得更為順暢，理解的跨度相對較小，對剛接觸功率變換器的學生來講更容易接受.

2.1 隔離型Buck-Boost變換器的由來

常規的非隔離型Buck-Boost變換器的拓撲結構如圖1（a）所示，通過開關的開通和關斷在電感的兩端產生脈沖電壓，這個脈沖電壓在不同的時間間隔，擔負著不同的功能.當開關管開通時電感儲能，輸出電容向負載提供能量；當開關關斷時，電感向負載端釋放能量，為電感磁復位，如果將該電感分解為同一磁芯的耦合電感，即可用變壓器器件代替該獨立電感.接著引出如何能夠實現與電感一樣的流通路徑和效果？如果在變壓器同一時刻傳輸能量，則可稱為Forward變換器,該變壓器就是通常意義上只有傳輸功能的兩端口器件；如果在不同時刻傳輸能量，則可構造出隔離型Buck-Boost變換器，也稱為Flyback變換器，演變過程如圖1所示.此時的變壓器應具有儲存能量的作用.

圖1 隔離型Buck-Boost變換器的演變過程

2.2 具有儲能作用的變壓器模型分析

如果不考慮漏磁通,普通變壓器的原理結構圖和磁路模型如圖2所示,原副邊繞組產生的磁動勢分別為:

圖2 變壓器的原理結構圖和磁路模型

因此主磁路的總磁動勢為:

其中Rm為主磁路的磁阻,Φm1為原邊產生且與副邊匝鏈的磁通,Φm2為副邊產生且與原邊匝鏈的磁通,Φm為主磁路中的總磁通在理想變壓器中,由于磁芯的磁導率為無窮大,所以磁阻近似為零.由式（2）得：

由法拉第電磁感應定律得：

由式（3）和（4）可以理想變壓器的電路等效模型如圖3(a)所示.

圖3 變壓器的電路等效模型

由于在實際應用中磁芯的磁阻不可能為零,綜合式(2)和(4)得:

如果令

由式（6）可以畫出考慮磁阻時，變壓器的等效電路模型如圖3(b)所示.以下將結合變壓器的等效電路模型進行原理分析.采用變壓器等效電路模型方法簡單和物理意義明確，學生易于接受,而且還可拓寬學生學習思路,取得很好的教學效果.

3 CCM模式下變換器的工作原理分析

以圖3（a）所示的反激變壓器等效電路對圖1（d）所示隔離型Buck-Boost變換器進行講解.當主開關管導通時，能量會儲存在磁芯中；當其變為關斷狀態時，能量會轉移到輸出端，若能量沒有完全轉移，即在開關管再次導通時還有能量儲存在變壓器中（表現為磁通不為零），就稱變換器工作在連續模式（CCM）或不完全能量轉移模式.反之，如果在開關管再次導通時已經沒有能量儲存在變壓器中（表現為磁通為零），就稱變換器工作在斷續模式（DCM）或完全能量轉移模式.圖4是變換器工作在CCM模式下的等效電路.

圖4 CCM模式下變換器的等效電路

首先利用同學們熟知的電路理論推導輸出與輸入電壓的關系.當主開關管S導通（0≤t≤DT），一次繞組兩端的電壓為：

流過一次繞組的電流為：

當開關管S關斷后，二次繞組兩端的電壓和流經二次繞組的電流為：

綜合公式（7）～（10），可以得到輸出與輸入電壓之間的關系式為：

圖5 CCM模式變換器的主要工作波形

電路的主要工作波形如圖5所示.接下來，利用Matlab/Simulink仿真軟件對該變換器進行仿真演示(限于篇幅，圖形省略)，主要包括軟件的使用方法，變換器模型的建立，參數的設置及修改，閉環控制原理及閉環參數設計方法等，讓同學們有更為直觀的認識.為將來的實驗打下良好的基礎.

4 互動環節設計

為了發揮學生的主體作用，關于變換器的完全能量轉移模式，留給同學們獨立分析.以5至6位同學為一組將班級分成若干組別，要求每一組結合仿真軟件進行參數設計和仿真實驗，然后在教師的引導下進行討論，對比非隔離型變換器的工作模式，比較它們的異同點，再利用電力電子教材中常用的伏秒平衡原理推導輸入與輸出電壓之間的關系，以增強學生在課堂中的參與程度，調動其積極性.

5 結論

本文詳細地分析了隔離型Buck-Boost變換器的構造方法及隔離變壓器的等效電路結構，再進一步講解變換器的工作原理，同時結合仿真軟件進行實時演示，理論分析的同時又增強了同學們的直觀認識程度，另外合理的安排同學們獨立分析和仿真的內容，然后進行討論和互動，使學生主動參與到教學過程中，讓教與學緊密相結合.多次講授結果表明這種講解方法自然流暢，且有利于開拓學生的學習和思維能力，能夠取得積極的課堂效果.

〔1〕丁道宏.電力電子技術[M].北京:航空工業出版社,1999.

〔2〕王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2000.

〔3〕陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術[M].北京:高等教育出版社,2004.