双向Buck/Boost变换器的教学探析

陈 仲， 章修齐， 汪柯文， 王傲雪

(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106)

0 引言

当前，我国各高校开设的“电力电子技术”课程所使用的相关教材中，内容较为陈旧，与当前学术研究热点之间存在较大的差距。例如，各教材在非隔离直流变换器方面普遍只介绍Buck等六种基本变换器，而对其衍生拓扑则没有进行阐述[1～2]。笔者在教学过程中发现，上述不足造成学生知识水平与当前学术研究和实际应用脱节，同时各知识点之间联系的不紧密也会造成学生难以融会贯通[3]。

具有双向功率流能力的双向变换器常用于蓄电池充放电管理、燃料电池供电系统和新能源发电领域，是当前DC-DC变换器研究及应用领域的热点之一。其中双向Buck/Boost变换器因具有结构简单、能量传输效率高等多种优点而被广泛应用于低压大电流场合[4～5]。

笔者结合研究实践，从单向Buck和Boost变换器出发，推导出双向Buck/Boost变换器的主电路拓扑，有助于学生了解它们之间的内在联系和差异，重点介绍其工作于电感电流过零模式下软开关的实现过程，并给出相关参数设计准则，进一步增强学生理解软开关技术如何有效应用于常见变换器，增强学生学习电力电子的系统性。

1 主电路拓扑生成

图1(a)给出了基本单向Buck变换器的主电路拓扑，结合图可知，单向Buck变换器输入源在左侧，负载在右侧，包含一个开关管Q和续流二极管D，滤波电感电流iLf平均值必须恒大于零，即功率只能从左向右单向流动。同理，图1(b)所示的单向Boost变换器功率只能从右向左流动。如果将两者相叠加，即在开关管Q两端反并联一个二极管，在二极管D两端反并联一个开关管，即可得到如图1(c)所示的双向Buck/Boost变换器。图中，VH为高压侧，VL为低压侧，且规定电感电流从左往右为正方向。当高压侧向低压侧传递功率时，变换器工作于Buck方式，电感电流平均值大于零，Q1作为主开关管，D2作为续流二极管工作；当低压侧向高压侧传递功率时，变换器工作于Boost方式，电感电流平均值小于零，Q2作为主开关管，D1作为续流二极管工作。因此可以通过检测电感电流平均值极性来判断该变换器运行于哪种工作方式。

(a)单向Buck变换器

(b)单向Boost变换器

(c)双向Buck/Boost变换器图1 双向Buck/Boost变换器主电路拓扑生成

图2给出了变换器工作于常规Buck(电感电流恒大于零)和Boost(电感电流恒小于零)方式下的主要波形，即对应于单向变换器工作于电感电流单向连续模式。结合图可知，主开关管工作于硬开关状态，开关损耗较高，且由于反并联二极管的反向恢复问题，易引起较大的电流尖峰造成开关管损坏。

图2 变换器常规模式工作波形

2 零电压开关工作原理

若电感电流在一个开关周期内有正有负，即工作于双向连续(过零)模式，则可实现开关管的零电压开关。

下面以Buck工作方式为例详细介绍变换器运行原理，结合图3给出的主要波形可知，该变换器在每个开关周期内可分为6个模态，其等效电路见图4。在分析之前，先作如下假设：①所有器件均视为理想；②C1和C2为开关管的寄生电容(若太小可外接电容)，且C1=C2=C。

图3 零电压开关变换器工作波形

分析过程如下：

1).模态1[t0-t1]

对应图4(a),t1时刻以前，开关管Q1处于导通状态，电感电流iL为正，其值线性上升。

2).模态2[t1-t2]

对应图4(b),t1时刻，Q1关断，电感电流从Q1转移至C1和C2中，给C1充电，使C2放电，C1的存在减缓了Q1两端电压的上升速度，因此Q1近似零电压关断，且由于电感相对很大且此模态时间很短，电流iL可视作恒流源。t2时刻，C2上的电压下降至零，D2自然导通，电感电流经D2续流，其值线性下降。

3).模态3[t2-t3]

对应图4(c),t2时刻以后，就可以零电压开通Q2，但电流仍流过D2而非Q2，直到t3时刻，电感电流下降至零，此模态结束。为了确保Q2的零电压导通，必须在电感电流下降至零之前将其开通。此外，D2自然关断，大大减轻了二极管反向恢复对系统的影响。

4).模态4[t3-t4]

对应图4(d),t3时刻以后，电感电流iL从D2转移至Q2并从零开始继续线性减小，直到t4时刻，开关管Q2关断，此模态结束。

5).模态5[t4-t5]

对应图4(e),t4时刻，Q2关断，电感电流从Q2转移至电容C1和C2中，使C1放电，C2充电，C2的存在同样使得Q2近似零电压关断。t5时刻，C1上的电压下降至零，D1自然导通，电感电流iL经D1流入高压侧，其极性为负且绝对值线性减小。

6).模态6[t5-t6]

对应图4(f),t5时刻以后，就可以零电压开通Q1，但电感电流iL仍流经D1，直到t6时刻，iL减小至零，才从D1转移至Q1，因此D1同样是自然关断。同时，为了确保ZVS，Q1必须在t6之前开通。

t6时刻以后，iL流经Q1，并从零开始线性增大，变换器工作状态与模态1相同。

(a)模态1

(b)模态2

(c)模态3

(d)模态4

(e)模态5

(f)模态6图4 各模态等效图

3 相关参数设计及控制策略

由于电感电流iL可以视作恒流源，因此只要保证变换器运行于电流过零模式即可确保反并联二极管的自然导通，在此工作模式下，电感电流峰峰值大于两倍的平均值，由此可以得到

(1)

式中，fs为开关频率。

而开关管的死区时间td必须大于寄生电容充放电的时间，即

(2)

且td必须小于寄生电容充放电时间与电感电流经二极管续流时间之和：

(3)

结合式(2)和式(3)即可得到开关管死区时间的取值范围。

图5给出了双向变换器的具体控制框图。该变换器通过检测电感电流平均值IL的极性来判断其工作方式，若IL大于零，则系统运行于Buck方式，Enable信号为1，选通VL，将其与电压基准Vref作差，经过一个电压调节器后与锯齿载波进行比较即可得到PWM信号PWM1和PWM2，由于Buck工作方式下Q1为主开关管，因此主信号PWM1驱动Q1；当IL小于零时，系统工作于Boost方式，Enable信号为0，选通VH，由于Boost工作方式下Q2为主开关管，因此控制系统得到的PWM1信号直接驱动Q2，如此即可保证高压侧电压VH的稳定。

图5 具体控制框图

4 仿真验证

为了验证上述分析，利用saber仿真软件搭建了仿真模型进行验证，其仿真参数如下：高压侧电压VH=48 V，低压侧电压VL=24 V，额定功率P=100 W，开关频率fs=50 kHz，电感L=20 μH，电容CH=CL=1 mF，寄生电容C1=C2=C=200 pF。

图6给出了当变换器工作于Buck方式下的相关波形，由图可知，低压侧电压VL较好的稳定在了24 V，电感电流iL在每个开关周期内有正有负，在iL最小处使得开关管S1零电压开通，在iL最大处使得开关管S2零电压开通，与理论分析相符。

图6 Buck工作方式下相关波形

图7则给出了变换器运行于Boost工作方式下的相关波形，由图可知，变换器同样可以在保持高压侧电压VH稳定的同时实现所有开关管的零电压开通。

图7 Boost工作方式下相关波形

5 结语

本文从基本单向Buck和Boost变换器出发，推导得到双向Buck/Boost变换器的主电路拓扑，并给出了常规工作方式下的相关波形。针对变换器电感电流运行于过零模式下能够实现软开关，详细介绍了其运行原理，并给出了软开关的实现条件和变换器具体控制策略，最后通过saber搭建的仿真模型对理论分析进行了验证。本文有助于学生理解双向变换器拓扑与基本变换器之间的联系和差别，并了解软开关技术在实际电路中的实现方法和意义，增强学生学习电力电子相关知识的系统性。对于改进电力电子教学方式具有一定的实际意义。