四开关Buck-Boost变换器研究综述.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.006 四开关 Buck-Boost 变换器研究综述*任林涛1 汪 飞1 肖杨婷2 丁 峰2 徐 慧1 余琛琛3(1.上海大学机电工程与自动化学院 上海 200444;2.上海船舶设备研究所 上海 200031;3.浙江巨磁智能技术有限公司 嘉兴 314000)摘要:直流微电网因其结构复杂、功能多样,对系统中变换器的性能有较高要求。四开关 Buck-Boost 变换器具有宽
2、范围电压变换、输入输出同极性、功率双向传输等优势,近年来得到国内外学者的广泛关注,被应用于直流微电网中的新能源发电、储能等单元。通过分析该变换器的工作原理与典型控制策略,对变换器研究中现存关键问题,模式切换与效率优化进行归纳总结。针对模式切换问题,从模式切换时死区机理出发,基于多模式控制策略,分析了模式平滑切换的典型控制方法。针对效率优化问题,归纳了影响变换器效率的关键因素,并从硬开关与软开关两个方面分析阐述了常见的效率优化方法。最后,对四开关 Buck-Boost 变换器的现有研究工作进行了总结与展望,为该领域的进一步研究和发展提供了理论指导。关键词:四开关 Buck-Boost 变换器;多
3、模式控制;模式切换;效率优化 中图分类号:TM71 Review Research on the Four-switch Buck-Boost Converter REN Lintao1 WANG Fei1 XIAO Yangting2 DING Feng2 XU Hui1 YU Chenchen3(1.School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200444;2.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031
4、;3.Zhejiang Magtron Intelligent Technology Co.,Ltd.,Jiaxing 314000)Abstract:Due to its complex structure and diverse functions,DC microgrid has higher requirements on the performance of converters in the system.The four-switch Buck-Boost converter has many advantages,such as wide range of voltage co
5、nversion,input and output polarity,power bidirectional transmission and so on.Thus,it has been widely concerned in recent years,and has been used in new energy power generation and energy storage unit of DC microgrid.The working principle and typical control strategy of the converter are analyzed an
6、d described,the key problems,including the mode switching and the efficiency optimization,are summarized.Specifically,focusing on the problem of mode switching,the dead-zone mechanism is studied,and some typical optimization methods for smooth-mode switching are analyzed based on the multimode contr
7、ol strategy.Then,for the problem of efficiency optimization,the key factors affecting the efficiency of the converter are summarized,and the common efficiency optimization methods are summarized from hard switch and soft switch control.Finally,the main research contents of converters are compared an
8、d summarized,which can provide references for the further research and development of this field.Key words:Four-switch Buck-Boost converter;multimode control;mode switching;efficiency optimization *国家自然科学基金资助项目(51977126)。20220711 收到初稿,20220830收到修改稿 1 引言 国家“十四五”规划明确提出“碳达峰”与“碳中和”发展目标,并指出发展低碳、清洁、可再生的新能
9、源是实现该目标的关键举措。以新能源为主的分布式发电方式得到快速发展,为提高分布式发电单元接入的可靠性与能量转换效率,微电网结构月 2023 年 6 月 任林涛等:四开关 Buck-Boost 变换器研究综述 53 被提出并应用于实现发、输、配、用电力架构的智能匹配。交流微电网与直流微电网作为两个主要类别,一直都是研究的热点。交流微电网研究相对成熟,但伴随新能源发电、储能、负载等直流形式的装备增多,直流微电网研究与应用具有愈发重要 的现实意义,可助力于未来清洁、低碳社会的构 建1-2。直流微电网典型结构如图 1 所示,包含多电压等级直流母线、新能源发电单元、储能单元及负载单元等,主要通过直流变换
10、器连接3。智能高效的直流变换器很大程度上促进了新能源渗透率的增加、多元负荷的接入与能量转换效率的提高4-5。图 1 直流微电网典型结构 需要注意的是,直流微电网中新能源发电单元、储能单元等输出电压具有宽范围,且会随特定工作条件波动的特性。因此,为了保证整个系统的稳定与能量的高效传输,要求与各单元连接的直流变换器具有应对宽范围电压变化的能力6。四开关 Buck-Boost 变换器是由 Buck 变换器与Boost 变换器级联简化可得,如图 2 所示,可较好解决上述应用中输出电压存在的问题7。当面对宽范围电压变化,即使输入电压范围和输出电压范围交叠时,四开关 Buck-Boost 变换器也能实现高
11、效率转换,并保持系统的整体性能不受影响。此外,与传统的非隔离直流变换器相比,四开关 Buck-Boost 变 图 2 四开关 Buck-Boost 变换器的系统结构 换器具有输入输出极性相同、功率双向传输、开关应力小、无源器件少等优点,同时其类似于“H 桥”型的对称结构有助于变换器功率密度的提高与模块化单元的构建。为了实现四开关Buck-Boost变换器在宽电压范围内进行升降压变换时的高转换效率和系统稳定,学者们对其控制策略展开了大量的研究8-13,主要可分为两种类型。第一种为四边形电感电流控 制14,即同时控制四个开关管,构建四边形电感电流,实现预期控制目标。虽然变换器的整体损耗较大,但可实
12、现所有开关管零电压开通,常用于变换器高频软开关技术研究中。第二种为多模式控 制15,根据输入电压和输出电压的比较,将变换器的整个电压工作区间划分为不同的模式并设计对应占空比,具体可分为单模式控制、双模式控制、三模式控制等。单模式控制的四开关变换器仅有一种工作模式,即图 2 中的 S1和 S4同开同关。双模式控制可根据输入输出电压比调整变换器的工作模式,当输入电压高于输出电压时工作在 Buck 模式,反之则工作在 Boost 模式。三模式控制是在双模式控制的模式切换区间增加了一个过渡模式,即 Buck/Boost 模式。单模式控制实现简单,但效率不高;双模式控制下可大大提升效率,但当输入电压接近
13、输出电压时,模式间切换效果会对系统的稳定性造成影响;三模式控制基于双模式控制,在模式切换处引入过渡模式(Buck/Boost 模式),以实现平滑模式切换,但过渡模式通常会带来额外的损耗,且增加了控制复杂度。相较而言,多模式控制实现方式简单,能量传输效率高,因此,四开关 Buck-Boost 变换器的控制中大多采用此种方法。四开关 Buck-Boost 变换器的两个主要优化目 标16:一是实现平滑模式切换,二是实现最佳转换效率。模式切换优化控制,往往基于多模式控制分析影响模式切换效果的原因,围绕变换器的整体控制设计展开,改善变换器模式切换时的输出稳态与动态响应17-18。效率优化控制,基于变换器
14、的损耗分析研究变换器损耗的关键控制量,围绕变换器的硬开关控制和软开关控制方式展开,提出降低损耗及提高效率的可行方法19-20。模式切换优化控制和效率优化控制的研究,有助于实现变换器高效、高功率密度及高可靠性的目标。本文将结合国内外的相关研究,对四开关Buck-Boost 变换器进行全面阐述,结合模式切换优化控制方法和效率优化控制方法分析,归纳总 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 54 结改善多模式变换器性能、提高变换器效率的常用方法。在第 2 节中,简述变换器的基本工作原理和多模式控制,论述不同模式产生原因。第 3 节中,对模式切换的死区机理进行分析,比较了各种多模式控制策略的
15、特性,并归纳出改善多模式切换时稳态与动态性能的方法。第 4 节中,分析变换器的效率制约因素,基于硬开关和软开关控制研究降低损耗、提升效率的优化控制方法。最后,第 5 节总结本文内容,并对四开关 Buck-Boost 变换器未来的发展趋势进行展望。2 四开关 Buck-Boost 变换器 2.1 工作原理 变换器的基本拓扑如图 2 所示,依据结构组成特性,将变换器分为 Buck 单元和 Boost 单元,由中间储能电感 L 连接20。Buck 单元主控管 S1,占空比 d1;Boost 单元主控管 S4,占空比 d2,单元内上下开关管互补导通。需要说明的是:四开关 Buck-Boost 变换器可
16、控制功率双向流动,每一侧既可作为“输入”,也可作为“输出”,为避免歧义,在本文中,定义左侧为输入侧,右侧为输出侧,输入电压为 Vi,输出电压为 Vo;本文中变换器预期目标为实现输入电压宽范围变化,得到稳定的输出电压。尤其当输入电压范围与输出电压有重叠。根据电感的伏秒平衡原则,分析变换器输入输出电压关系,可得变换器的电压增益 M 为 o1i2=1VdMVd=(1)由式(1)可知,变换器可实现的电压变比与 d1和 d2有关,d1和 d2可分别独立控制。同时 d1和 d2之间移相角 的存在,如图 2 所示,大大增加了控制的灵活性,因此,变换器可以有多种控制策略21。下文将对不同控制策略进行分析与比较
17、。2.2 控制策略 四开关 Buck-Boost 变换器有三个控制自由度,分别为 d1、d2、,多控制自由度使得变换器控制越发复杂。早期研究围绕“控制自由度简化”原则,提出“单自由度控制”思想,即将变换器的多个控制自由度简化,通过控制单个自由度实现升降压变换。基于此,学者们先后提出区分工作模式的多种控制策略22-25。2.2.1 单模式控制 单模式控制,即变换器在整个输入电压范围内只有一种工作模式,S1和 S4同开同关,此时d1=d2=D,工作特性如表 1 所示。表 1 多模式控制工作特性 控制 方法 工作 模式 电压 关系 d1 d2 M 单模式 D D D/(1D)双模式Buck 模式 V
18、i Vo D1 0 D1 Boost 模式 Vi Vo 1 D2 1/(1D2)三模式Buck 模式 Vi Vo D1 0 D1 Buck/Boost模式 Vi Vo D1 D2 D1/(1D2)Boost 模式 Vi Vo 1 D2 1/(1D2)单模式控制下,变换器有两种工作模态,其中能量流通过程如图 3 所示。图 3 单模式控制 单模式方法控制简单,但在任一开关周期内,四个开关管同时动作,开关损耗较大,当输入电压靠近输出电压时,电感电流纹波大,传输效 率低。2.2.2 双模式控制 双模式控制,即根据输入电压和输出电压的比较结果,将变换器的整个工作范围分为两个工作模式,工作特性如表 1 所
19、示。Boost 模式,输入电压不高于输出电压,控制 S4,稳态时 d2=D2,S1常闭;Buck 模式,输入电压高于输出电压,控制 S1,稳态时 d1=D1,S4常开。双模式控制下,Boost 模式和 Buck 模式各有两种工作模态,其中能量流通过程如图 4a 与图 4b 所示。Buck 模式时,等效为 Buck 变换器工作;Boost模式时,等效为 Boost 变换器工作。S4、S1的控制信号与电感电流波形如图 4c 和图 4d 所示。双模式控制下,任一模式只控制单个自由度变化,在开关周期内只有一个开关管动作,相比于单模式控制而言,其开关损耗降低,同时电感电流纹波明显降低,效率大大提升。但在
20、双模式控制中,当输入电压接近输出电压时易出现“模式切换”问题,影响变换器的输出稳定性。月 2023 年 6 月 任林涛等:四开关 Buck-Boost 变换器研究综述 55 图 4 双模式控制 2.2.3 三模式控制 三模式控制,是基于双模式控制对“模式切换”问题的一种经典解决方法,即在模式切换区间,增加一个过渡模式,也可称为 Buck/Boost 模式。三模式下工作特性如表 1 所示。Buck 模式和Boost 模式下,d1和 d2的控制与双模式控制保持一致,Buck/Boost 模式下,d1和 d2根据新的控制要求,可进行灵活的控制,稳态时 d1=D1,d2=D2。Buck/Boost 模
21、式的加入,可有效缓解模式切换时带来的不良影响,实际切换效果取决于具体控制策略。Buck/Boost 模式内四个开关管同时动作,开关损耗增加,根据文献8中的分析,整个工作范围内,Buck/Boost 工作模式内效率明显下降,削弱了变换器的整体工作效率。综上分析可见,平滑模式切换控制与最佳效率优化控制,对提高变换器的整体性能具有十分重要的意义。下文将对这两个方面的控制方法展开具体论述。3 模式切换控制研究 3.1 模式切换的死区机理 由文献24中分析可知,功率器件自身特性(开关管的开通与关断延时)、桥臂电路特性(桥臂电路的死区时间)与控制电路特性(传输延时,PWM 比较器的非线性)等多方面因素作用
22、,使得模式切换时出现控制脉冲信号的跳变,单元占空比不能连续控制,导致输出电压振荡,严重时对系统稳定性造成影 响26。现以双模式控制为例,分析模式切换对变换器正常工作的影响,引入统一控制变量 u(0u2)进行分析27。u 与直流电压增益呈正相关关系,物理意义类似于“理想直流增益参考量”,其与变换器工作模式及相关变量间的联系如表 2 所示。可定义 Buck模式下,d1=u,Boost 模式下,d2=u1,模式切换发生在 u=1 时。若 Vo恒定,当 Vi减小时,M 增大,u增大,变换器由 Buck 模式进入 Boost 模式,如图5a 所示的线性关系。表 2 双模式控制工作特性 理想 u实际 u
23、电压 关系 工作 状态 M 0u1D1minuVo Buck 模式 u u=1 D1maxu1+D2min Vi Vo 模式 切换 1 1u21+D2minu1+D2max Vi Vo Boost 模式 1/(2u)当从 Buck 模式切换进入 Boost 模式时,根据表1 中双模式控制分析,d1、d2的理想变化特性曲线如图 5b 所示。理想情况下,0d11,0d21,发生模式切换时,可实现占空比的平滑过渡。然而在实际情况中,由于单元占空比受到多方面因素的限制,实际占空比特性曲线如图 5c 所示,其中,d1、d2存在最大占空比和最小占空比的限制,即 D1mind1D1max,D2mind2D2
24、max。占空比受限区域,一般称为死区,由文献27中分析可知,死区内变换器一般以“直通状态”工作,即 S1常闭,S4常开。电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 56 图 5 模式切换问题机理分析 模式切换时死区的存在,影响变换器的直流增益特性,结合表 2 中的变量关系,从图 5c 和图 5d可以看出,当 u=D1max时,d1直接由 D1max突变为 1,M 直接由 M1=D1max跃升为 1;当 u=1+D2min时,d2直接由 0 突变为 D2min,M 直接由 1 跃升为M2=1/(1D2min)。d1特性曲线和 d2特性曲线发生占空比的突变,使得理想情况下连续过渡的直流增益特
25、性曲线,在实际情况中,出现死区临界点断续,即输出电压发生跃变。同时,“直通状态”下,输出电压随着输入电压波动,谐波含量较高。综上所述,模式切换时产生死区,直流增益出现断续现象,影响到变换器的输出稳定性,也削弱了变换器的动态性能。为了解决模式切换问题,针对死区内占空比不连续以及直流增益断续的情况,较为普遍的解决方案是引入新的模式,研究多模式控制策略,实现死区内有效控制,进而消除死区。现有的研究中,实现平滑模式切换,主要集中在输出特性的补偿,兼顾变换器动态性能的提升。四开关Buck-Boost变换器的整体控制结构如图2 所示,主要包含“多模式控制策略”、“模式选择”、“PWM 调制”及“控制器”四
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