一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器

《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》涉及AC/DC变换器领域，具体涉及一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器。

截至2013年6月，常用的AC/DC变换器主要有单级结构和两级结构两大类，其中单级结构通常为无桥AC/DC变换器，两级结构一般由二极管整流电路和DC/DC变换器构成。无桥AC/DC变换器存在共模电流大和电磁干扰强的缺陷，而两级结构变换器效率较低。

图1是《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》的一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器结构图；

图2是《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》实施例在电感电流断续模式下输入电压一个周期内输入电流i_in和电感电流i_L的波形图；

图3是《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》实施例在电感电流连续模式下输入电压一个周期内输入电流i_in和电感电流i_L的波形图；

图4a～图4e分别是《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》的工作过程图，其中图4a为开关管S2导通，开关管S1关断时的等效电路图；图4b为开关管S1和开关管S2均关断且二极管D2导通，二极管D1断开时的等效电路图；图4c为所有半导体器件均关断时的等效电路图；图4d为开关管S1导通，开关管S2关断时的等效电路图；图4e为开关管S1和开关管S2均关断且二极管D1导通，二极管D2断开时的等效电路图。

2018年12月20日，《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》获得第二十届中国专利优秀奖。

下面结合实施例及附图，对《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》作进一步地详细说明，但该发明的实施方式不限于此。

• 实施例

如图1所示，一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器，包括BOOST电路环节、BUCK-BOOST电路环节和输出电路环节。所述BOOST电路环节由第二开关管S2、电感L和第二二极管D2构成，所述BUCK-BOOST电路环节由第一开关管S1、电感L和第一二极管D1构成，所述输出电路环节由负载、电容C和第三二极管D3构成。

在输入电压正半周，电路工作于BOOST模式，在输入电压负半周，电路工作于BUCK-BOOST模式，BUCK-BOOST电路环节和BOOST电路环节共用电感L，且两种电路交替工作时流过电感L的电流方向不变，降低了电路中的di/dt。输出电路环节中的第三二极管D3用于阻断输入电压正半周电流反方向流入输出电路环节。

具体电路连接：所述第一开关管S1的源极分别与第二二极管D2的阳极、输入交流电源的一端连接，第一开关管S1的漏极分别与负载的一端、电容C的一端、电感L的一端、第二开关管S2的漏极连接，电感L的另一端分别与第二二极管D2的阴极、第一二极管D1的阴极连接，第三二极管D3的阳极分别与负载的另一端、电容C的另一端连接，第三二极管D3的阴极分别与第二开关管S2的源极、第一二极管D1的阳极、输入交流电源的另一端连接。

《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》分别工作在电感电流断续模式和电感电流连续模式，所述图4a～图4e中实现部分表示处于工作状态的部分，实线电路图表示工作时候的等效电路图，具体过程如下：

（1）电感电流断续模式：

首先考虑变换器工作在输入电压正半周的情况；

在输入电压正半周，第一开关管S1一直关闭，第一二极管D1一直承受反向电压截止，第二开关管S2、第二二极管D2和第三二极管D3工作，此时电路工作于BOOST模式，如图4a、图4b、图4c所示。

当第二开关管S2导通时，变换器等效电路图如图4a所示。此时，电源给电感L充电，电感L中电流开始上升，输出电路环节被短路，电容C向负载释放能量。当第二开关管S2断开时，变换器等效电路图如图4b所示。此时，电源和电感同时向负载供电，并给电容C充电，电容C储能，电感中电流开始下降。当电感中电流下降到零时，变换器等效电路图如图4c所示，此时所有半导体器件均不工作，电容C向负载释放能量。

此过程中输入电流i_in和电感电流i_L的波形图如图2中

当变换器工作在输入电压负半周时；

在输入电压负半周，第二开关管S2一直关闭，第二二极管D2一直承受反向电压截止，第一开关管S1、第一二极管D1和第三二极管D3工作，此时电路工作于BUCK-BOOST模式，如图4d、图4e、图4c所示。

当第一开关管S1导通时，变换器等效电路图如图4d所示。此时，电源给电感L充电，电感L中电流开始上升，输出电路环节被短路，电容C向负载释放能量，第三二极管D3阻碍电流反方向流入输出电路环节。当第一开关管S1断开时，变换器等效电路图如图4e所示。此时，电感通过第一二极管D1续流，同时向负载供电并给电容C充电，电容C储能，电感中电流开始下降。当电感中电流下降到零时，变换器等效电路图如图4c所示，此时所有半导体器件均不工作，电容C向负载释放能量。

此过程中输入电流i_in和电感电流i_L的波形图如图2中

（2）变换器工作在电感电流连续模式；

变压器工作在输入电压正半周时：第一开关管S1一直关闭，第一二极管D1一直承受反向电压截止，第二开关管S2、第二二极管D2和第三二极管D3工作，此时电路工作于BOOST模式，如图4a、图4b所示。

当第二开关管S2导通时，变换器等效电路图如图4a所示。此时，电源给电感充电，电感中电流开始上升，输出电路环节被短路，电容C向负载释放能量。当第二开关管S2断开时，变换器等效电路图如图4b所示。此时，电源和电感同时向负载供电，并给电容C充电，电容C储能，电感中电流开始下降。

此过程中输入电流i_in和电感电流i_L的波形图如图3中

变压器工作在输入电压负半周时：

第二开关管S2一直关闭，第二二极管D2一直承受反向电压截止。第一开关管S1、第一二极管D1和第三二极管D3工作，此时电路工作于BUCK-BOOST模式，如图4d、图4e所示。

当第一开关管S1导通时，变换器等效电路图如图4d所示。此时，电源给电感充电，电感中电流开始上升，输出电路环节被短路，电容C向负载释放能量，第三二极管D3阻碍电流反方向流入输出电路环节。当第一开关管S1断开时，变换器等效电路图如图4e所示。此时，电感通过第一二极管D1续流，同时向负载供电并给电容C充电，电容C储能，电感中电流开始下降。

此过程中输入电流i_in和电感电流i_L的波形图如图3中

上述实施例为《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》较佳的实施方式，但《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离该发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在该发明的保护范围之内。

一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器专利目的

《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》的目的在于提出一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器。

一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器技术方案

《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》采用如下技术方案：

一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器，包括输入交流电源、第一开关管S1、第二开关管S2、电感L、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电容C和负载，所述第一开关管S1的源极分别与第二二极管D2的阳极、输入交流电源的一端连接，第一开关管S1的漏极分别与负载的一端、电容C的一端、电感L的一端、第二开关管S2的漏极连接，电感L的另一端分别与第二二极管D2的阴极、第一二极管D1的阴极连接，第三二极管D3的阳极分别与负载的另一端、电容C的另一端连接，第三二极管D3的阴极分别与第二开关管S2的源极、第一二极管D1的阳极、输入交流电源的另一端连接。

由所述第二开关管S2、电感L和第二二极管D2构成BOOST电路环节，由所述第一开关管S1、电感L和第一二极管D1构成BUCK-BOOST电路环节，由所述负载、电容C和第三二极管D3构成输出电路环节。

所述BUCK-BOOST电路环节和BOOST电路环节交替工作时，电感L的电流方向不变。

一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器改善效果

《一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器》具有的优势为：

将BOOST电路环节与BUCK-BOOST电路环节整合构成，且BUCK-BOOST电路环节和BOOST电路环节共用电感L，两种电路交替工作时流过电感L的电流方向不变，不仅减小了电路的体积，而且降低了电路中的di/dt，此外，该发明结构简单，效率高，控制电路容易实现，功率密度高，电路可靠性高，成本低。

1.一种BOOST-BUCK-BOOST无桥变换器，其特征在于，包括输入交流电源、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、电感（L）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、电容（C）和负载，所述第一开关管（S1）的源极分别与第二二极管（D2）的阳极、输入交流电源的一端连接，第一开关管（S1）的漏极分别与负载的一端、电容（C）的一端、电感（L）的一端、第二开关管（S2）的漏极连接，电感（L）的另一端分别与第二二极管（D2）的阴极、第一二极管（D1）的阴极连接，第三二极管（D3）的阳极分别与负载的另一端、电容（C）的另一端连接，第三二极管（D3）的阴极分别与第二开关管（S2）的源极、第一二极管（D1）的阳极、输入交流电源的另一端连接；由所述第二开关管（S2）、电感（L）和第二二极管（D2）构成BOOST电路环节，由所述第一开关管（S1）、电感（L）和第一二极管（D1）构成BUCK-BOOST电路环节，由所述负载、电容（C）和第三二极管（D3）构成输出电路环节；所述BUCK-BOOST电路环节和BOOST电路环节交替工作时，电感（L）的电流方向不变；所述输出电路环节中的第三二极管（D3）用于阻断输入电压正半周电流反方向流入输出电路环节。

本书系统阐述PWMDC/DC全桥变换器的软开关技术，系统提出DC/DC全桥变换器的一簇PWM控制方式，并引入超前桥臂和滞后桥臂的概念，以实现全桥变换器的软开关，提出超前桥臂和滞后桥臂实现软开关的原则及策略。

变换器（Matrix Converter）作为一种新型的交—交变频电源，其电路拓扑形式被提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.Alesina提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶闸管。采用这种器件组成矩阵式变换器，控制难度是很高的。矩阵式变换器的硬件特点是要求

大容量、高开关频率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技术水平所难以达到的。所以这一期间矩阵式变换器的研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多都处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ，IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。

模数变换器

模数变换器包含第一传输电路，它接收输入电压与输出时钟信号，该时钟信号相移，取决于输入电压，第二传输电路接收参考电压与输入时钟信号，且输出参考时钟信号，该时钟信号相移，取决于参考电压，比较输出时钟信号与参考时钟信号的比较器输出一数据卡输出信号。

直流-直流变换器

直流-直流变换器有三个电感、两个电容、一个主开关和一个次开关、一个主整流器和一个次整流器以及一个具有一个初级绕组和一个次级绕组的变压器。主开关和次开关按照控制信号交替地导通，电流流过变压器的初级绕组，因此，转移能量到次级绕组，一个主整流器和一个次整流器按照从初级绕组变换来的能量而动作，以获得经过第三个电感器的固定电流，输出固定直流电压到负载。

高功率因数半桥式变换器

半桥式变换器有一个桥二极管单元来提供电流路径，通过功率因数提高单元传输能量到电压平滑电容器。电压平滑电容器储存由桥二极管单元所提供的能量。开关单元有两个开关与电压平滑电容器的两端间串联。其中功率因数提高单元供给开关的公共连接点电压，构成转换单元反馈到输入电容器的公共连接点，为了依据输入电压值改变输入电流。减少半桥式变换器在开关单元中的导通损耗提高输入端的功率因数。

1976年，矩阵式变换器的概念和电路拓扑形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出。1979年意大利学者M.Ventutini和A.Alesina证明这种频率变换器的存在，促进了矩阵式变换器的迅速发展。他们首先在理论上证明了N相输入、P相输出的矩阵式逆变器的实现条件，同时给出了一种电压控制策略，这种控制策略虽然解决了矩阵式变换器的谐波问题，但也有输出输入电压比小于0.5的严重 缺陷。进入20世纪80年代后期，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，矩阵变换器的研究工作越来越被人们所重视。为了解决M．Venturini和A．Alesina控制方案的不足，先后有许多学者对矩阵变换器进行了一系列的研究，并从不同的角度提出了不同的控制方案。国外对于矩阵变换器的研究进入大发展阶段。

1989年，日本学者J. Oyama等提出了一种最大最小输入电压调制技术，该技术认为输出电压最小的相总是与输入电压最小的相相连，其余两相则利用PWM 调制技术对输入电压进行调制，输出线电压的最大值总是等于最大输入线电压函数的最小值，即输出线电压总是在输入线电压的包络线之内。同年，还有南斯拉夫学者L．Huber和美国学者D．Borojevic提出了基于电压空间矢量调制技术的方法。该方法是根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出输入电流和输出电压的六边形开关状态矢量，然后，按输入矢量在任意时刻由其相邻的两开关矢量合成，得到每一采样周期内的开关导通比，该技术已发展成为较成熟的技术。Huber和D. Borojivic进一步提出了一种基于空间向量调制技术的PWM技术，最大电压传输比可达到0.866，并通过实验样机带三相感应电机运行，证明采用空间向量调制法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1，输出电压可调频调幅等特点；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出输入双线电压瞬时值法，其调制实质即任何时刻输出电压为两个输入线电压合成，从理论分析知当输入电流不对称或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正而不需要额外的计算量。这一点尤其适用于某些电网不够稳定的场合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一种应用于30马力矩阵变换器的控制理论和实现方案，这种方案是一种去除直流中间环节的逆变器方法的改进，它将控制策略分为“整流”和“逆变”两部分，三种开关分别看作一种假想的电压源逆变器。“整流”部分对于每一开关组分别有“正”“负”两套开关函数。