基于H桥的DC-DC变换器理论分析与仿真研究

夏益辉，赵镜红，张俊洪



基于H桥的DC-DC变换器理论分析与仿真研究

夏益辉，赵镜红，张俊洪

(海军工程大学电气工程学院， 武汉 430033)

传统的Buck电路只能实现单极性输出，而对于一些需要双极性输出的场合如直流电机励磁控制器等，则不能满足应用要求。基于H桥的DC-DC变换器在保证与Buck电路相同输出性能的前提下，可以实现双极性输出。分析了基于H桥的DC-DC变换器基本结构，探讨了其基本工作原理，并对其在开环控制下输出性能进行了仿真研究。仿真结果表明基于H桥的DC-DC变换器是可行的。

单极性输出 双极性输出 H桥 DC-DC变换器

0 引言

随着经济的快速发展和科学技术的不断进步，电子产品种类不断增加，电源作为电子产品的重要部件，广泛的应用于国民经济、航空航天、船舶业和国防军事等各个领域和部门。相对于传统的线性电源，DC-DC变换器因其具有变换效率和功率密度高等优异性能而得到越来越广泛的应用，并正朝着高可靠性、高变换效率、低噪声、高频和高功率密度等方向发展[1-3]。

传统的Buck电路由于电路简单、易于控制和技术成熟等优点，目前在DC-DC变换器中应用依然比较广泛。文献[4,5]针对Buck电路小ESR电容时输出易发生谐波振荡问题进行了分析和抑制，取得了较好的效果；文献[6,7]提出采用固定关断时间控制用于提高Buck电路动态响应速度和轻载效率等，可满足VRM对动态响应速度和轻载效率的要求；文献[8]对固定关断时间控制进行了改进，有效提高了系统稳定性。此外，文献[9]对于Buck电路的控制方法进行了分析和研究。

针对传统Buck电路无法实现双极性输出的问题，对其电路结构进行了改进，提出基于H桥的DC-DC变换器，通过对其进行理论分析和仿真研究，基于H桥的DC-DC变换器可以获得与传统Buck电路相同的输出性能，并可以实现双极性输出。

1 H桥DC-DC变换器拓扑结构

H桥DC-DC变换器电路结构如图1（a）所示，主要包括直流供电电源、功率管、滤波电感和滤波电容。滤波电感用于滤除高频谐波电流，滤波电容用于滤除高频谐波电压。图1（b）为传统Buck 电路结构图。从图中可以看出，基于H桥的DC-DC变换器比传统Buck电路多了3个功率管，但少了一个续流二极管。

（a）H桥DC-DC变换器

（b）传统Buck变换器

图1 两种DC-DC变换器基本结构

2 H桥DC-DC变换器工作原理

2.1 电容上端“+”下端“-”

等效电路如图2所示。V1作为方向管，用于控制电容输出极性，V4为斩波管，用于调整电容两端输出电压大小。

图2电容上端“+”下端“-”等效电路

图2共有两种工作模态：V1和V4同时导通、V1导通V4关断。V1和V4同时导通如图3（a）所示，电流由直流电源“+”端流出，经V1、电感L向电容C和负载供电，经V4流向直流电源“-”端，输出电压c为上“+”下“-”。V1导通，V4关断如图3（b）所示，电流经V1、电感L和电容C（负载）以及V3的二极管续流，在V4下一个开关周期导通前，若电感中的电流不为0，则为续流模式；若电感电流为0，则称为断流模式。

（a）V1和V4同时导通

（b）V1导通，V4关断

图3 V1和V4不同开关状态工作模式

假定功率器件、电感和电容都为理想器件，线路中等效阻抗为零，从图3可以获得在一个开关周期s内输出电流输出电压如图4所示。

图4 电感电流输出电压波形（连续模式）

由图4可得输出电压ab及其平均值c为：

2.2 电容上端“-”下端“+”

等效电路如图5所示。V3作为方向管，用于控制电容输出极性，V2为斩波管，用于调整电容两端输出电压大小。

图5电容上端“-”下端“+”等效电路

图5共有两种工作模态：V2和V3同时导通、V3导通V2关断。V2和V2同时导通如图6（a）所示，电流由直流电源“+”端流出，经V3、电容C（负载）和电感L，再由V2流向直流电源“-”端，输出电压c为上“-”下“+”。V3导通，V2关断如图6（b）所示，电流经V3、电容C（负载）电感L以及V1的二极管续流。从图中可以看出，输出电压平均值c为负的。

由上述分析可知，采用基于H的DC-DC变换电路，可以实现双极性的电压输出。

3 仿真验证

为了验证所提H桥的DC-DC变换器是否可行，对其进行了仿真研究，仿真参数如表1所示。

图7（a）为输出电压正极性时H桥DC-DC变换器（上面三个）和传统Buck电路（下面三个）输出电压、电感电流和负载电流波形。图7（b）为输出电压由正极性突变为负极性。

（a）V2和V3同时导通

（b）V3导通，V2关断

图6 V2和V3不同开关状态工作模式

表1 H桥DC-DC变换器参数

从图7（a）可以看出， H桥DC-DC变换器和传统Buck电路输出性能相当；从图7（b）可以看出，通过改变开关管导通顺序，可以实现输出电压的极性转换。开关管占空比为0.3，输出电压为75 V，基本实现了输出期望电压的目的。

（a）正极性输出

（b）输出电压由正极性转换为负极性

图7 输出电压、电感电流和负载电流仿真结果

4 结论

针对传统Buck电路无法实现双极性输出的问题，提出一种基于H桥的DC-DC变换器电路结构，对其工作原理进行了分析，并进行了仿真对比研究。仿真结果表明，采用所提的H桥DC-DC变换电路不仅可以获得与传统Buck电路相当的输出性能，同时可以双极性输出。

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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

夏益辉（1987-），男，讲师，博士。研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: xiayihui2005@163.com