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

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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

(海軍工程大學電氣工程學院， 武漢 430033)

傳統的Buck電路只能實現單極性輸出，而對于一些需要雙極性輸出的場合如直流電機勵磁控制器等，則不能滿足應用要求。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，可以實現雙極性輸出。分析了基于H橋的DC-DC變換器基本結構，探討了其基本工作原理，并對其在開環控制下輸出性能進行了仿真研究。仿真結果表明基于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

隨著經濟的快速發展和科學技術的不斷進步，電子產品種類不斷增加，電源作為電子產品的重要部件，廣泛的應用于國民經濟、航空航天、船舶業和國防軍事等各個領域和部門。相對于傳統的線性電源，DC-DC變換器因其具有變換效率和功率密度高等優異性能而得到越來越廣泛的應用，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展[1-3]。

傳統的Buck電路由于電路簡單、易于控制和技術成熟等優點，目前在DC-DC變換器中應用依然比較廣泛。文獻[4,5]針對Buck電路小ESR電容時輸出易發生諧波振蕩問題進行了分析和抑制，取得了較好的效果；文獻[6,7]提出采用固定關斷時間控制用于提高Buck電路動態響應速度和輕載效率等，可滿足VRM對動態響應速度和輕載效率的要求；文獻[8]對固定關斷時間控制進行了改進，有效提高了系統穩定性。此外，文獻[9]對于Buck電路的控制方法進行了分析和研究。

針對傳統Buck電路無法實現雙極性輸出的問題，對其電路結構進行了改進，提出基于H橋的DC-DC變換器，通過對其進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Buck電路相同的輸出性能，并可以實現雙極性輸出。

1 H橋DC-DC變換器拓撲結構

H橋DC-DC變換器電路結構如圖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Buck 電路結構圖。從圖中可以看出，基于H橋的DC-DC變換器比傳統Buck電路多了3個功率管，但少了一個續流二極管。

（a）H橋DC-DC變換器

（b）傳統Buck變換器

圖1 兩種DC-DC變換器基本結構

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：V1和V4同時導通、V1導通V4關斷。V1和V4同時導通如圖3（a）所示，電流由直流電源“+”端流出，經V1、電感L向電容C和負載供電，經V4流向直流電源“-”端，輸出電壓c為上“+”下“-”。V1導通，V4關斷如圖3（b）所示，電流經V1、電感L和電容C（負載）以及V3的二極管續流，在V4下一個開關周期導通前，若電感中的電流不為0，則為續流模式；若電感電流為0，則稱為斷流模式。

（a）V1和V4同時導通

（b）V1導通，V4關斷

圖3 V1和V4不同開關狀態工作模式

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可以獲得在一個開關周期s內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：V2和V3同時導通、V3導通V2關斷。V2和V2同時導通如圖6（a）所示，電流由直流電源“+”端流出，經V3、電容C（負載）和電感L，再由V2流向直流電源“-”端，輸出電壓c為上“-”下“+”。V3導通，V2關斷如圖6（b）所示，電流經V3、電容C（負載）電感L以及V1的二極管續流。從圖中可以看出，輸出電壓平均值c為負的。

由上述分析可知，采用基于H的DC-DC變換電路，可以實現雙極性的電壓輸出。

3 仿真驗證

為了驗證所提H橋的DC-DC變換器是否可行，對其進行了仿真研究，仿真參數如表1所示。

圖7（a）為輸出電壓正極性時H橋DC-DC變換器（上面三個）和傳統Buck電路（下面三個）輸出電壓、電感電流和負載電流波形。圖7（b）為輸出電壓由正極性突變為負極性。

（a）V2和V3同時導通

（b）V3導通，V2關斷

圖6 V2和V3不同開關狀態工作模式

表1 H橋DC-DC變換器參數

從圖7（a）可以看出， H橋DC-DC變換器和傳統Buck電路輸出性能相當；從圖7（b）可以看出，通過改變開關管導通順序，可以實現輸出電壓的極性轉換。開關管占空比為0.3，輸出電壓為75 V，基本實現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換為負極性

圖7 輸出電壓、電感電流和負載電流仿真結果

4 結論

針對傳統Buck電路無法實現雙極性輸出的問題，提出一種基于H橋的DC-DC變換器電路結構，對其工作原理進行了分析，并進行了仿真對比研究。仿真結果表明，采用所提的H橋DC-DC變換電路不僅可以獲得與傳統Buck電路相當的輸出性能，同時可以雙極性輸出。

[1] Ni L Q, Dean J, Patterson J L．High power current sensorless bidirectional 16-phase interleaved DC-DC converter for hybrid vehicle application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1141-1151.

[2] De D, Klumpener C, Patel C, et al．Modeling and control of a multi-stage interleaved DC-DC converter with coupled inductors for super-capacitor energy storage system[J]. IET Power Electronics, 2013, 6(7): 1360- 1375.

[3] Hegazy O, Van M J, Lataire P. Analysis modeling and implementation of a multidevice interleaved DC/DC converter for fuel cell hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4445- 4458.

[4] Lin Y C, Chen C J, Chen D, et al．A novel ripple-based constant on-time control with virtual inductance and offset cancellation for DC Power converters [C]. Energy Conversion Congress and Exposition, 2011: 1244- 1250．

[5] 劉德尚. 片上紋波補償高精度AOT控制Buck變換器的研究與設計[D]. 電子科技大學, 2014.

[6] Redl R, Sun J. Ripple-based control of switching regulators an overview[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(12): 2669-2680．

[7] Bao B C, Zhang X, Xu J P, etc．Critical ESR of output capacitor for stability of fixed off-time controlled buck converter[J]．Electronics Letters, 2013, 49(4): 287-288．

[8] 張希, 許建平, 包伯成, 等. 固定關斷時間控制Buck變換器斜坡補償技術及其機理研究[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(36): 6426-6434．

[9] 楊航, 劉凌, 閻治安, 等. 雙閉環Buck 變換器系統模糊PID控制[J]. 西安交通大學學報, 2016, 50(4): 35-40.

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。研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: xiayihui2005@163.com