电力电子教学中隔离型Buck- Boost 变换器的讲解方法研究

胡雪峰，王 琳，郭 蕊，代国瑞

（安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243032）

摘 要：在电力电子技术课程中，隔离型Buck-Boost变换器（Flyback）属于一类重要的基本电路结构，但在教学实践中，作者发现大多数学生的理解不够系统和深入.本文首先给出隔离型Buck-Boost变换器的由来，然后基于反激变压器的两种实际模型讲解隔离型Buck-Boost变换器的工作原理，再通过Matlab/Simulink软件的可视化功能进行仿真演示.该讲解方法能显著地提高学生的理解能力和学习兴趣，容易增强教师和学生的互动性，取得了良好的教学效果.

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关键词 ：隔离型；Buck-Boost；反激变压器

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）03-0224-03

1 引言

隔离型Buck-Boost变换器（Flyback）具有拓扑结构简单，输入输出电气隔离，升/降压范围广，多路输出及负载自动均衡等优点，而被广泛应用于电视机、DVD和充电器等小功率电器的电源中.然而在实际教学中，我们发现许多数学生对该电路工作原理的理解相对困难，而且对类似电力电子电路结构的把控比较孤立，缺乏系统性.针对这一问题如何在较少的学时内，高质量地完成该节教学任务，引起作者在教学过程的深入思考.本文探索一种新的讲解方法，先给出电路结构的由来，再将理论教学与Matlab/Simulink可视化仿真软件相结合，讲清原理的同时用虚拟仪器实时演示的方法将理论分析直观化，既增强了师生之间的互动性，又能加深学生对概念的理解能力，进一步提高了理论教学过程的效率和课堂的生动性，大大改善了教学效果.

2 隔离型Buck-Boost变换器的结构分析

教学过程中可以首先明确Buck、Boost和Buck -Boost变换器是三种最基本的DC/DC变换器，是其它变换器的原始结构.一般情况下，多数教材首先安排了非隔离型Buck-Boost变换器的教学内容，由于常规Buck-Boost变换器仅仅通过电感向输出端传送能量，与基本Buck或Boost变换器的工作原理非常相似，其工作模式（CCM或DCM）的判断和理解都比较容易.所以本节讲解时可以首先给出非隔离型Buck-Boost变换器向隔离型Buck-Boost变换器演变的过程，同时讲解为什么能够这样演变，演变后的电路结构具有哪些新的特点？然后再进行原理分析，就显得更为顺畅，理解的跨度相对较小，对刚接触功率变换器的学生来讲更容易接受.

2.1 隔离型Buck-Boost变换器的由来

常规的非隔离型Buck-Boost变换器的拓扑结构如图1（a）所示，通过开关的开通和关断在电感的两端产生脉冲电压，这个脉冲电压在不同的时间间隔，担负着不同的功能.当开关管开通时电感储能，输出电容向负载提供能量；当开关关断时，电感向负载端释放能量，为电感磁复位，如果将该电感分解为同一磁芯的耦合电感，即可用变压器器件代替该独立电感.接着引出如何能够实现与电感一样的流通路径和效果？如果在变压器同一时刻传输能量，则可称为Forward变换器，该变压器就是通常意义上只有传输功能的两端口器件；如果在不同时刻传输能量，则可构造出隔离型Buck-Boost变换器，也称为Flyback变换器，演变过程如图1所示.此时的变压器应具有储存能量的作用.

2.2 具有储能作用的变压器模型分析

如果不考虑漏磁通，普通变压器的原理结构图和磁路模型如图2所示，原副边绕组产生的磁动势分别为：

由法拉第电磁感应定律得：

由式（3）和（4）可以理想变压器的电路等效模型如图3（a）所示.

由于在实际应用中磁芯的磁阻不可能为零，综合式（2）和（4）得:

如果令

由式（6）可以画出考虑磁阻时，变压器的等效电路模型如图3（b）所示.以下将结合变压器的等效电路模型进行原理分析.采用变压器等效电路模型方法简单和物理意义明确，学生易于接受，而且还可拓宽学生学习思路，取得很好的教学效果.

3 CCM模式下变换器的工作原理分析

以图3（a）所示的反激变压器等效电路对图1（d）所示隔离型Buck-Boost变换器进行讲解.当主开关管导通时，能量会储存在磁芯中；当其变为关断状态时，能量会转移到输出端，若能量没有完全转移，即在开关管再次导通时还有能量储存在变压器中（表现为磁通不为零），就称变换器工作在连续模式（CCM）或不完全能量转移模式.反之，如果在开关管再次导通时已经没有能量储存在变压器中（表现为磁通为零），就称变换器工作在断续模式（DCM）或完全能量转移模式.图4是变换器工作在CCM模式下的等效电路.

首先利用同学们熟知的电路理论推导输出与输入电压的关系.当主开关管S导通（0≤t≤DT），一次绕组两端的电压为：

流过一次绕组的电流为：

当开关管S关断后，二次绕组两端的电压和流经二次绕组的电流为：

综合公式（7）~（10），可以得到输出与输入电压之间的关系式为：

电路的主要工作波形如图5所示.接下来，利用Matlab/Simulink仿真软件对该变换器进行仿真演示（限于篇幅，图形省略），主要包括软件的使用方法，变换器模型的建立，参数的设置及修改，闭环控制原理及闭环参数设计方法等，让同学们有更为直观的认识.为将来的实验打下良好的基础.

4 互动环节设计

为了发挥学生的主体作用，关于变换器的完全能量转移模式，留给同学们独立分析.以5至6位同学为一组将班级分成若干组别，要求每一组结合仿真软件进行参数设计和仿真实验，然后在教师的引导下进行讨论，对比非隔离型变换器的工作模式，比较它们的异同点，再利用电力电子教材中常用的伏秒平衡原理推导输入与输出电压之间的关系，以增强学生在课堂中的参与程度，调动其积极性.

5 结论

本文详细地分析了隔离型Buck-Boost变换器的构造方法及隔离变压器的等效电路结构，再进一步讲解变换器的工作原理，同时结合仿真软件进行实时演示，理论分析的同时又增强了同学们的直观认识程度，另外合理的安排同学们独立分析和仿真的内容，然后进行讨论和互动，使学生主动参与到教学过程中，让教与学紧密相结合.多次讲授结果表明这种讲解方法自然流畅，且有利于开拓学生的学习和思维能力，能够取得积极的课堂效果.

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参考文献：

〔1〕丁道宏.电力电子技术[M].北京:航空工业出版社，1999.

〔2〕王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2000.

〔3〕陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2004.