buckboost双向变换器研究.doc

Buck-Boost双向变换器研究 Abstract：In the paper, research on a soft-switching bi-directional buck-boost converter is presented. The converter has 5 different operation modes when inductor current is different. The operation of three modes under the conditions that inductor current passes through zero is detailed. Analysis results reveal that under these three operation modes, the zero-voltage-switching of MOSFETs can be obtained, and the MOSFET body diodes can also be turned on and off naturally without reverse recovery problem. Finally a design example of a 48V/24V bi-directional buck-boost converter is presented. The appropriate choice of control loop parameters can make the converter stable at buck and boost operation modes respectively, and it testifies that the proposed soft-switching bi-directional buck-boost converter is practical and feasible. Keyword：Converter; Bi-directional; Buck-Boost; Zero-voltage-switching 1　引言双向DC/DC变换器具有双向能量流能力，广泛应用于多电飞机高压直流配电系统[1]、蓄电池充/放电系统[2] [3]、UPS系统[4]、太阳能发电系统[5]，因此对双向DC/DC变换器的研究也越来越广泛和深入。图1所示为双向DC/DC变换器在一多电飞机直流配电系统中的典型应用[6]，在该系统中，由蓄电池给启动/发电机供电，发电机正常工作后提供115VAC（相），整流后得到270VDC高压直流电，给负载提供能量，同时通过双向DC/DC变换器给蓄电池充电以及向与蓄电池并联的负载供电。 文中对Buck-Boost双向变换器进行了细致研究。首先给出了由单向DC/DC变换器向双向变换器的演化方法，进而详细分析了软开关Buck-Boost双向变换器的工作原理。对控制环进行了详细的频域分析及参数设计，给出了仿真结果。验证了该软开关工作方式的可行性，具有实用价值。 图1 双向DC/DC变换器在多电飞机直流配电系统中的典型应用 2　变换器工作原理2.1 双向变换器的基本演化方法如图2，为基本的Buck变换器，因二极管的单向导电性，该变换器只能单向流动能量。将其中限制能量双向流动的二极管换成电流可以双向流动的功率开关（如MOS管），即可构成能量双向流动的DC/DC变换器—Buck-Boost双向变换器（如图3）。这种演化方法可应用到其它五种基本的不隔离DC-DC变换器Boost、Buck/Boost、Cuk、Sepic和 Zeta，从而得到一族双向变换器拓扑。本文主要对基本的双向Buck-Boost变换器进行研究。 图2　Buck变换器 图3　二电平Buck-Boost 双向变换器 2.2 双向Buck-Boost变换器工作原理根据电感电流瞬时值iLf的不同，电感电流有三种工作模式（如图4）：I、 电感电流恒大于零；II、 电感电流有正有负；III、电感电流恒小于零。 (a)电感电流恒大于零 (b)电感电流有正有负 (c)电感电流恒小于零 图4　电感电流的三种波形 第I、III两种工作模式分别对应于常规的Buck、Boost变换器，在这两种工作模式下，Q1、Q2均是硬开关，并且由于体二极管的反向恢复问题，引起较大的电流尖峰，容易损坏开关管。文中对这两种工作模式不作详细讨论，下面将具体分析第II种工作模式。在第II种工作模式下，一个开关周期内，有6个工作模态，如图5所示。模态1（t0---t1）：t0时刻之前，D1导通，电感电流反向线性减小。t0时刻，Q1零电压开通，电感电流继续反向