多象限直接DC-DC变换电路设计优化

以上谈到的都是单象限电路，也就是能量只能从电源流向负载。多象限直接DC-DC电路指的是能量可以双向流动的直接DC-DC变换电路。多象限直接DC_- DC变换电路又有两象限DC-DC电路和四象限DC-DC电路之分。

3.1.2.1 双象限DC-DC变换电路

双象限电路从结构上分可以分为电流可逆型电路和电压可逆型电路。电流可逆型电路就是指输出电流平均值的幅值和极性均可变化，而输出电压平均值的极性始终为正，也就是电路仅运行在U-I曲线的第一和第二象限。电压可逆型电路就是指输出电压平均值的幅值和极性均可变化，而输出电流平均值的极性始终为正；也就是电路仅运行在U-I曲线的第一和第四象限。

1.电流可逆DC-DC变换电路

电流可逆DC-DC变换电路的拓扑结构如图3-5所示，电路中E_M为反电动势负载。电流可逆DC-DC变换电路可以看作是由Buck电路和Boost电路组合在一起构成的。当电源E向负载E_M供电时，E、VT₁、VD₁、L、R和E_M构成一个Buck电路；当负载E_M向电源反馈能量时，E_M、L、VT₂、VD₂和E构成一个Boost电路。

图3-5 电流可逆DC-DC电路

电流可逆DC-DC变换器有两种工作模式。一种是间断工作方式，即电路在任意时刻只有一个斩波器工作。也就是说在Buck电路工作的时候，Boost电路停止工作，反之亦然。另一种是交替工作方式，即一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过，如图3-6所示。

图3-6 电流可逆DC-DC变换器交替工作方式

由图3-6可知，输出平均电压U_o与电源电压E的关系为

输出平均电流为

当I_o＞0时，能量从电源释放给负载，与降压变换器相同；当I_o＜0时，能量从负载回馈给电源，从负载端看，与升压变换器相同。

由于电路结构的原因，在电流可逆电路中电流总是连续的，不再出现电流断续状态，但有电流变化量ΔI。ΔI与降压变换器的相同，即

当α=0.5时，ΔI有最大值ΔI_m，即

2.电压可逆DC-DC变换电路

电压可逆DC-DC变换器的拓扑结构如图3-7所示。电压可逆DC-DC变换电路也可以看作是由Buck电路和Boost电路组合在一起构成的。电压可逆DC-DC变换电路的工作逻辑是：当输出电压平均值U_o需要为正时，使开关管VT₁保持常通，VT₂斩波工作，这时由E、VT₂、VD₁、L、R和E_M构成一个Buck电路，电源向负载释放能量；当输出电压平均值U_o需要为负时，使开关管VT₁保持常断，VT₂斩波工作，这时由E、VT₂、VD₁、VD₂、L、R和E_M构成一个Boost电路，负载向电源回馈能量。由图3-7可见，当VT₁和VT₂同时导通时，u_o=E；当VD₁和VD₂导通时，u_o=-E。由此可见，输出电压平均值U_o的幅值和极性均可随器件的开关状态变化，而输出电流则始终为正值，即电路工作在第一和第四象限。

图3-7 电压可逆DC-DC变换电路

下面讨论电路的具体工作情况。

（1）当u_o＞0时

VT₁始终导通。在VT₂导通时，输出电压u_o=E。当VT₂关断时，为维持i_o连续，VD₁导通，u_o=0。图3-8a所示是u_o＞0时，电压可逆DC-DC电路的输出电压、电流波形图。

由图3-8a可知在u_o＞0时，输出电压与输入电压的关系为

输出平均电流为

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图3-8 电压可逆DC-DC电路工作波形图

（2）当u_o＜0时

VT₁始终关断。在VT₂导通时，由于VT₁关断，为维持i_o连续，VD₁导通，故而输出电压u_o=0。当VT₂关断时，为维持i_o连续，VD₁和VD₂导通，u_o=-E。图3-8b所示是u_o＜0时，电压可逆DC-DC电路的输出电压、电流波形图。

由图3-8b可知在u_o＞0时，输出电压与输入电压的关系为

输出平均电流仍然为

为保持电流为正，由式（3-29）可知，在u_o＜0时，负载的反电动势E_M必须也为负值，且其绝对值要大于U_o。

3.1.2.2 四象限DC-DC变换电路

四象限DC-DC变换电路基本结构如图3-9所示。这是全桥电路结构，所以也称为桥式DC-DC变换电路。

桥式DC-DC电路可以看作是由两个电流可逆DC-DC电路组合而成。VT₄保持导通时，可等效为图3-6所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第一和第二象限。VT₂保持导通时，VT₃、VD₃和VT₄、VD₄等效为又一组电流可逆斩波电路，提供负电压，可工作于第三、第四象限。

图3-9 桥式DC-DC变换电路

桥式DC-DC电路的工作模式可以分为两种：双极性方式和单极性方式。

双极性方式是指在一个斩波周期T中，输出电压u_o的极性会产生一次变化，即u_o可表示为

其平均值为

当α＞0.5时，U_o为正；当α＜0.5时，U_o为负。这表明，双极性方式下输出电压平均值的幅值和极性均取决于占空比α。

单极性方式是指在一个斩波周期T内，u_o只有幅值的变化而无极性的变化，即u_o可表为

式中

u_s为控制信号。当u_s＞0时，VT₄常通，VT₃常断；u_s＜0时，VT₃常通，VT₄常断。

输出电压平均值为

U_o=KαE （3-34）

3.1.2.3 多象限DC-DC变换器在光伏系统中的应用

在光伏系统中光伏阵列能量来源只能单方向释放能量，因此不需要也不能采用多象限DC-DC变换器。在光伏系统中能量需要双向流通的是储能元件。当光伏阵列输出能力高于负载要求时，多余能量要存储在储能元件中；当光伏阵列输出能力不满足负载要求时，储能元件释放能量维持负载正常工作。光伏阵列的储能元件从储能形式上分为两种：机械储能和电气储能。机械储能又有扬水储能和飞轮储能等结构。电气储能则有蓄电池、超级电容和超导线圈等储能元件。不论是机械储能还是电气储能都需要能量双向流动的DC-DC变换器。

当储能设备为电压源形式时，比如蓄电池和超级电容，则宜采用电流可逆DC-DC变换器；当储能设备为电流源形式时，比如超导线圈，电压可逆DC-DC变换器较为适宜；当储能设备为直流电动机时，如扬水水泵，桥式可逆DC-DC变换器应用较为方便。

从效率上看，电流可逆DC-DC变换器高于桥式可逆DC-DC变换器，应用较多。