雙向Buck/Boost變換器的教學探析

陳 仲， 章修齊， 汪柯文， 王傲雪

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

當前，我國各高校開設的“電力電子技術”課程所使用的相關教材中，內容較為陳舊，與當前學術研究熱點之間存在較大的差距。例如，各教材在非隔離直流變換器方面普遍只介紹Buck等六種基本變換器，而對其衍生拓撲則沒有進行闡述[1～2]。筆者在教學過程中發現，上述不足造成學生知識水平與當前學術研究和實際應用脫節，同時各知識點之間聯系的不緊密也會造成學生難以融會貫通[3]。

具有雙向功率流能力的雙向變換器常用于蓄電池充放電管理、燃料電池供電系統和新能源發電領域，是當前DC-DC變換器研究及應用領域的熱點之一。其中雙向Buck/Boost變換器因具有結構簡單、能量傳輸效率高等多種優點而被廣泛應用于低壓大電流場合[4～5]。

筆者結合研究實踐，從單向Buck和Boost變換器出發，推導出雙向Buck/Boost變換器的主電路拓撲，有助于學生了解它們之間的內在聯系和差異，重點介紹其工作于電感電流過零模式下軟開關的實現過程，并給出相關參數設計準則，進一步增強學生理解軟開關技術如何有效應用于常見變換器，增強學生學習電力電子的系統性。

1 主電路拓撲生成

圖1(a)給出了基本單向Buck變換器的主電路拓撲，結合圖可知，單向Buck變換器輸入源在左側，負載在右側，包含一個開關管Q和續流二極管D，濾波電感電流iLf平均值必須恒大于零，即功率只能從左向右單向流動。同理，圖1(b)所示的單向Boost變換器功率只能從右向左流動。如果將兩者相疊加，即在開關管Q兩端反并聯一個二極管，在二極管D兩端反并聯一個開關管，即可得到如圖1(c)所示的雙向Buck/Boost變換器。圖中，VH為高壓側，VL為低壓側，且規定電感電流從左往右為正方向。當高壓側向低壓側傳遞功率時，變換器工作于Buck方式，電感電流平均值大于零，Q1作為主開關管，D2作為續流二極管工作；當低壓側向高壓側傳遞功率時，變換器工作于Boost方式，電感電流平均值小于零，Q2作為主開關管，D1作為續流二極管工作。因此可以通過檢測電感電流平均值極性來判斷該變換器運行于哪種工作方式。

(a)單向Buck變換器

(b)單向Boost變換器

(c)雙向Buck/Boost變換器圖1 雙向Buck/Boost變換器主電路拓撲生成

圖2給出了變換器工作于常規Buck(電感電流恒大于零)和Boost(電感電流恒小于零)方式下的主要波形，即對應于單向變換器工作于電感電流單向連續模式。結合圖可知，主開關管工作于硬開關狀態，開關損耗較高，且由于反并聯二極管的反向恢復問題，易引起較大的電流尖峰造成開關管損壞。

圖2 變換器常規模式工作波形

2 零電壓開關工作原理

若電感電流在一個開關周期內有正有負，即工作于雙向連續(過零)模式，則可實現開關管的零電壓開關。

下面以Buck工作方式為例詳細介紹變換器運行原理，結合圖3給出的主要波形可知，該變換器在每個開關周期內可分為6個模態，其等效電路見圖4。在分析之前，先作如下假設：①所有器件均視為理想；②C1和C2為開關管的寄生電容(若太小可外接電容)，且C1=C2=C。

圖3 零電壓開關變換器工作波形

分析過程如下：

1).模態1[t0-t1]

對應圖4(a),t1時刻以前，開關管Q1處于導通狀態，電感電流iL為正，其值線性上升。

2).模態2[t1-t2]

對應圖4(b),t1時刻，Q1關斷，電感電流從Q1轉移至C1和C2中，給C1充電，使C2放電，C1的存在減緩了Q1兩端電壓的上升速度，因此Q1近似零電壓關斷，且由于電感相對很大且此模態時間很短，電流iL可視作恒流源。t2時刻，C2上的電壓下降至零，D2自然導通，電感電流經D2續流，其值線性下降。

3).模態3[t2-t3]

對應圖4(c),t2時刻以后，就可以零電壓開通Q2，但電流仍流過D2而非Q2，直到t3時刻，電感電流下降至零，此模態結束。為了確保Q2的零電壓導通，必須在電感電流下降至零之前將其開通。此外，D2自然關斷，大大減輕了二極管反向恢復對系統的影響。

4).模態4[t3-t4]

對應圖4(d),t3時刻以后，電感電流iL從D2轉移至Q2并從零開始繼續線性減小，直到t4時刻，開關管Q2關斷，此模態結束。

5).模態5[t4-t5]

對應圖4(e),t4時刻，Q2關斷，電感電流從Q2轉移至電容C1和C2中，使C1放電，C2充電，C2的存在同樣使得Q2近似零電壓關斷。t5時刻，C1上的電壓下降至零，D1自然導通，電感電流iL經D1流入高壓側，其極性為負且絕對值線性減小。

6).模態6[t5-t6]

對應圖4(f),t5時刻以后，就可以零電壓開通Q1，但電感電流iL仍流經D1，直到t6時刻，iL減小至零，才從D1轉移至Q1，因此D1同樣是自然關斷。同時，為了確保ZVS，Q1必須在t6之前開通。

t6時刻以后，iL流經Q1，并從零開始線性增大，變換器工作狀態與模態1相同。

(a)模態1

(b)模態2

(c)模態3

(d)模態4

(e)模態5

(f)模態6圖4 各模態等效圖

3 相關參數設計及控制策略

由于電感電流iL可以視作恒流源，因此只要保證變換器運行于電流過零模式即可確保反并聯二極管的自然導通，在此工作模式下，電感電流峰峰值大于兩倍的平均值，由此可以得到

(1)

式中，fs為開關頻率。

而開關管的死區時間td必須大于寄生電容充放電的時間，即

(2)

且td必須小于寄生電容充放電時間與電感電流經二極管續流時間之和：

(3)

結合式(2)和式(3)即可得到開關管死區時間的取值范圍。

圖5給出了雙向變換器的具體控制框圖。該變換器通過檢測電感電流平均值IL的極性來判斷其工作方式，若IL大于零，則系統運行于Buck方式，Enable信號為1，選通VL，將其與電壓基準Vref作差，經過一個電壓調節器后與鋸齒載波進行比較即可得到PWM信號PWM1和PWM2，由于Buck工作方式下Q1為主開關管，因此主信號PWM1驅動Q1；當IL小于零時，系統工作于Boost方式，Enable信號為0，選通VH，由于Boost工作方式下Q2為主開關管，因此控制系統得到的PWM1信號直接驅動Q2，如此即可保證高壓側電壓VH的穩定。

圖5 具體控制框圖

4 仿真驗證

為了驗證上述分析，利用saber仿真軟件搭建了仿真模型進行驗證，其仿真參數如下：高壓側電壓VH=48 V，低壓側電壓VL=24 V，額定功率P=100 W，開關頻率fs=50 kHz，電感L=20 μH，電容CH=CL=1 mF，寄生電容C1=C2=C=200 pF。

圖6給出了當變換器工作于Buck方式下的相關波形，由圖可知，低壓側電壓VL較好的穩定在了24 V，電感電流iL在每個開關周期內有正有負，在iL最小處使得開關管S1零電壓開通，在iL最大處使得開關管S2零電壓開通，與理論分析相符。

圖6 Buck工作方式下相關波形

圖7則給出了變換器運行于Boost工作方式下的相關波形，由圖可知，變換器同樣可以在保持高壓側電壓VH穩定的同時實現所有開關管的零電壓開通。

圖7 Boost工作方式下相關波形

5 結語

本文從基本單向Buck和Boost變換器出發，推導得到雙向Buck/Boost變換器的主電路拓撲，并給出了常規工作方式下的相關波形。針對變換器電感電流運行于過零模式下能夠實現軟開關，詳細介紹了其運行原理，并給出了軟開關的實現條件和變換器具體控制策略，最后通過saber搭建的仿真模型對理論分析進行了驗證。本文有助于學生理解雙向變換器拓撲與基本變換器之間的聯系和差別，并了解軟開關技術在實際電路中的實現方法和意義，增強學生學習電力電子相關知識的系統性。對于改進電力電子教學方式具有一定的實際意義。