两开关Buck-Boost电路为何存在电压倒置？

Question

在两开关Buck-Boost电路中，为何输出电压会出现极性倒置（即负压输出）？该电路通过两个开关管协同控制能量在电感中的存储与释放，当输入端接地参考点为正时，输出端经电感和续流路径反向导通，导致输出相对于地为负电压。这种拓扑本质上具备升降压能力，且因电感电流在开关切换过程中断续或连续反向流通，使输出电压极性与输入相反。许多初学者误以为仅升降压功能存在，却忽视其固有的电压倒置特性。请解释：这种电压倒置现象是由拓扑结构本身决定的吗？是否可通过改变开关时序或元件布局避免？

Answer 1

1. 基本概念引入：Buck-Boost电路的拓扑特征

两开关Buck-Boost电路是一种常见的非隔离型DC-DC变换器，其核心优势在于能够实现升降压功能——即输出电压可以高于或低于输入电压。该电路由两个开关管（通常为MOSFET）、一个电感、一个输出电容和必要的驱动控制电路构成。

在典型的连接方式中，输入电源正极接至电感一端，另一端连接两个开关的公共节点；输出则从电感与开关的交点经续流路径引出，并以地为参考。这种结构决定了能量传递路径的独特性。

• 升压能力来源于电感储能后与输入电压叠加释放；
• 降压能力则体现在占空比小于50%时的能量调节；
• 而电压极性倒置，则是该拓扑在能量转移过程中自然形成的电气结果。

2. 极性倒置现象的物理机制分析

当上管导通、下管关断时，输入电压加在电感两端，电流从输入流向地，电感储存能量；此时输出由电容独立供电。当下管导通、上管关断时，电感因电流不能突变而产生反向电动势，其左端电位迅速下降，右端（原接地侧）变为高电位，迫使电流通过下管流向负载并返回地。

这一过程导致输出端相对于系统“地”呈现负电压。关键在于：电感在续流阶段必须形成闭合回路，而该回路的方向决定了输出极性的反转。

工作模式	上管状态	下管状态	电感电流方向	输出极性
充电阶段	ON	OFF	输入 → 地	无输出（电容维持）
放电阶段	OFF	ON	电感 → 负载 → 地	负压

3. 拓扑结构决定论：是否必然出现负压？

电压极性倒置并非偶然现象，而是由电路拓扑的本质所决定。具体来说：

1. 电感作为储能元件，在断开激励源后必须通过续流路径释放能量；
2. 在标准两开关Buck-Boost中，该路径只能通过下管接地，使得电感高端电位低于地；
3. 因此，输出节点位于电感低端，自然形成对地负压。

这说明：只要保持当前拓扑不变——即电感一端接输入，另一端接双开关中点，输出从中点引出并参考地——则无论怎样调整开关时序，都无法避免输出极性反转。

4. 开关时序的影响与局限性探讨

有人提出：能否通过改变上下管的驱动逻辑来消除负压？例如错相驱动、同步整流优化等。然而仿真与实测表明：

// 理想驱动信号示例（互补但带死区）
Upper_SW = (PWM_signal) ? ON : OFF;
Lower_SW = (PWM_inverted_with_deadtime) ? ON : OFF;

// 即使调整占空比D：
// Vout = -Vin * (D / (1 - D))
// 公式本身已包含负号，说明极性固定

可见，输出电压表达式中的负号直接源于拓扑结构，而非控制策略。即使采用非互补驱动或引入第三种工作模式，也无法改变电感续流方向的根本约束。

5. 元件布局能否规避极性倒置？

从PCB布局角度出发，合理的布线可减少寄生参数、提升效率，但无法逆转电势关系。例如：

• 将输出取样点移至上管源极？→ 实际仍为中间节点，参考地不变；
• 交换电感两端位置？→ 改变的是电流流向定义，物理行为未变；
• 重新定义“地”的位置？→ 属于参考系变换，不影响实际电压差。

结论：元件物理排列不影响拓扑电气特性，极性倒置仍不可避免。

6. 替代方案与工程实践建议

若应用需要正压输出且具备升降压能力，应考虑以下替代拓扑：

graph TD A[需求: 升降压 + 正压输出] --> B{选择合适拓扑} B --> C[SEPIC] B --> D[Zeta] B --> E[反激式Flyback] B --> F[四开关Buck-Boost] C --> G[优点: 输出正压, 输入输出隔离] D --> H[同C，但噪声较低] F --> I[可配置为正压输出模式]

其中，四开关Buck-Boost可通过模式切换实现正压输出，代价是增加复杂度与成本。

7. 总结性关键词归纳

围绕“两开关Buck-Boost电路”、“输出电压极性倒置”、“负压输出成因”、“拓扑结构决定性”、“开关时序影响”、“元件布局无关性”、“电感续流路径”、“升降压能力”、“电压极性反转机制”、“DC-DC变换器设计误区”等关键词，本文系统剖析了负压生成的内在机理。

工程师在选型时应明确：此类电路的负压输出不是缺陷，而是拓扑固有属性。理解这一点，有助于避免误用与调试困境。