周 鹏 ，蒋昌虎 ，钱 臣 ，洪辰浩

（1.当涂县市场监督检验所，安徽 当涂 243100；2.安徽省机床及刃模具产品质量监督检验中心，安徽 当涂 243100）

1 研究背景

随着我国装备制造业的快速发展，机床行业也面临转型升级。与传统机床不同，数控机床内部芯片众多，包括传感器、伺服电机等，每种芯片要求的电压可能不尽相同。开关电源作为一种功率变换模块，可以对输入电源进行功率变换，精确得到芯片需要的供电电源，保证机床正常、平稳工作。

DC-DC开关变换器最常见的三种电路拓扑形式为：降压（Buck）、升压（Boost）和降压-升压（Buck-Boost）。其中Buck-Boost变换器因其幅度既可比输入电压高，也可比输入电压低，且电路结构简单而应用广泛。下面以Buck-Boost为例进行理论说明[1]。

2 Buck-Boost电路稳态分析

Buck-Boost电路的输出电压幅度可低于或高于输入电压。如果将源电压的负端作为参考节点，则输出电压的极性与源电压相反。Buck-Boost电路原理图如图1所示，其中S1、S2均为理想开关。Buck-Boost电路可以在连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）下工作。连续导通模式在稳态工作时，整个开关周期内都有电流连续通过电感；而非连续导通模式下的电感电流是不连续的，即在开关周期内的一部分时间电感电流 为 0，且它在整个周期内从0开始，达到一个峰值后，再回到0[2-6]。

图1 Buck-Boost型电路结构

在连续导通模式下，Buck-Boost电路在每个开关周期内有两种工作状态[6]，当S1闭合、S2断开时，为导通（ON），如图2a所示；当S1断开、S2闭合时，为断开（OFF），如图2b所示。下面分别对这两种工作状态进行分析。

（1）导通。参考图2a，输入电压直接加载在电感两端，且由于加载的电压通常必须为定值，因此电感电流线性增加，而所有的输出负载电流由输出电容C提供。其中，“开态”的时间设为ton=d×T，d为控制回路设定的占空比，代表了开关在“开态”的时间占整个开关周期T的比值。如图2所示。

图2 Buck-Boost电路等效原理图

（2）断开。参考图2b，由于S1断开，电感电流减小，电感两端电压极性翻转，且其电流同时提供输出电容电流和输出负载电流。根据电流流向可知输出电压为负，即与输入电压极性相反。因为输出电压为负，因此电感电流是减小的，而且由于加载电压必须是常数，所以电感电流线性减小。其中，“关态”的时间设为d′=1-d，且因为对于连续导通模式，电路在整个开关周期中只有两种状态，因此toff=d′×T。

根据电感的伏秒平衡关系，可以得到输入电压Vin与输出电压Vo关系：

由上式可见，可以通过调节占空比使输出电压高于也可低于输入电压，但输出电压与输入电压极性相反。

3 升压变换器

本文研究一种可用于机床的直流变换器拓扑，可实现功率变换，且输出电压与输入电压极性相同，能够满足实际机床供电电路的应用需要。

如图3所示，输入电压为Vin，输出电压为Vo，电感分别为L1、L2。上面输出电压为V2，下面输出电压为 V1。当开关管 S1、S2闭合，S3、S4断开时，输入电源给电感 L1、L2，充电，电感电流增加，电容 C1、C2对负载供电。电感电流增加量：

图3 直流变换器拓扑

当开关管 S1、S2断开，S3、S4闭合时。此时输入电源与电感L1串联对电容C1进行充电，电感L2单独对电容C2进行充电。两电感电流减少量分别为：

根据电感的伏秒平衡：

推出输入输出关系：

4 仿真验证

在PSIM软件中，对该电路原理进行验证，电路参数如下：输入电压Vin=20V，储能电感L1＝L2=100uF，输出滤波电容 C1＝C2=200uF。

当占空比d=0.6时，输出电压Vo=50V，如图4所示；当占空比d=0.8时，输出电压Vo=100V，如图5所示。

图5 占空比d=0.8时，输入电压=20V，输出电压Vo=100V

5 小结

从上述仿真结果可以看出，输入电压和输出电压严格满足之前的数学关系，对之前的理论推导进行验证，可以通过改变占空比达到调节输出电压的目的。通过这一方法，可以利用电容、电感等储能元件，采用伏秒平衡原理、电容充放电平衡原理构造一系列直流变换器拓扑，以满足机床电气系统的调压要求。

[1]王凤岩，许建平.DC/DC开关电源控制方法小信号模型比较[J].电力电子技术，2007，（1）.

[2]张元敏，方如举.利用状态平均法对DC/DC变换电路的分析[J].电力自动化设备，2008，（4）.

[3]刘昭和，王树国，李祥忠.开关电源的稳定性分析及优化设计[J].哈尔滨工业大学学报，1993，（6）.

[4]郑朝霞，邹雪城，邵 轲，等.电流型PWM DC-DC升压转换器的稳定性分析与实现[J].微电子学与计算机，2006，（6）.

[5]曹 晖，岳 庆，陈金亮.基于模糊控制的自动加料装置控制系统研究[J].锻压装备与制造技术，2013，48（6）.

[6]王 珺，魏志国，郭艳君.基于ABAQUS的数控转塔冲床送进横梁模态分析[J].锻压装备与制造技术，2013，48（3）.