高效率非隔离四开关Buck-Boost变换器的研究与设计

摘要

近年来，随着航天与通信领域的迅猛发展，迫切需要适用于宽输入电压范围、可实现升降压功能的高效率 DC-DC 变换器拓扑。在几种基本非隔离型变换器中，Buck变换器只能降压，且变换器变换效率最高点一般出现在输入电压较低的时候，而Boost变换器则恰恰相反。相较于传统的升降压变换器，四开关Buck-Boost变换器因其具有输入输出电压同极性、无源器件少、开关管电压应力低的优点成为学术界和工业界研究的热点。 四开关Buck-Boost变换器的传统控制策略通常需要区分变换器的工作模式、存在控制结构复杂，无法实现全部开关管ZVS开通的缺陷，影响了变换器效率的进一步提高。为了解决这一问题，论文提出了四开关Buck-Boost变换器的两种定频调制策略，分别为定移相角调制策略和变移相角调制策略。 本论文首先讨论了四开关Buck-Boost变换器开关管可能存在的导通时序，详细分析了不同导通时序下变换器的电感电流波形。进而提出了一种无需区分变换器工作模式的导通时序，及其相应的实现全部开关管ZVS开通的电感电流工作波形。详细分析了变换器的工作模态，研究该工作模态下变换器的调制策略。 然后，根据重构的多段式电感电流工作波形提出了定移相角定频调制策略，并详细介绍了其工作原理、参数设计以及仿真验证。然而，研究发现该调制策略存在软开关的范围窄及(轻载、高压输入)电感反向电流过大的问题。为此，论文对上述调制策略进行了改进，进一步提出变移相角定频调制策略。 实验室研制了一台200V~400V输入、300V输出、功率500W的变移相角定频调制策略的原理样机。实验结果证明，在宽输入电压范围、输出功率50W~500W内，变换器实现了全部开关管的软开关，满载时变换器工作效率最高96.2%。

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