新型四开关升降压DC

+
S1 Vin CB
S2
-
S3
iL L
+ VL -
S4
+
Co
Vo
-
图 1 Buck-or-Boost（BOB）拓扑图
Fig.1 Buck-or-Boost BOB topology diagram
1.1 控制策略及工作模式分析 BOB 变换器基于 H 桥拓扑结构，与其他桥式拓扑 类似，每条支路（S1 和 S2，S3 和 S4）上的每对开关都 由互补信号驱动。引用 [4] 采用了一种策略，其中对角开
BOB 变换器拓扑如图 1 所示，开关 S1 和 S2 构成前 桥臂，S3 和 S4 构成后桥臂。S1 和 S2 上的最大电压应力来 自输入电压的最大值，S3 和 S4 上的电压应力是输出电压的 最大值，因此，为了实现高效率，可以选择低电压额定值 开关管。电感 L 插入在两个桥臂之间，CB 和 CO 分别为输 入滤波电容和输出滤波电容。这种 BOB 转换器拓扑具有 非隔离特性，输入和输出具有公共接地，它适用于输出电 压在输入电压范围内且与输入电压无极性反转的应用。
空比，这对系统运行几乎没有影响。为便于分析假设 BOB
变换器有一定负载，认为电感电流处于正向电流方向。
[t0 ～ t1]: 输 入 阶 段。 在 t=t0 时，S1 和 S4 同 时 接 通， 转换器开始“输入阶段”，输入电压通过 S1 和 S4 加在电感
上，电感电流 iL 以等于 Vin/L 的斜率线性增加，如式（1） 所示 ：
收稿日期 ：2023-06-12 作者简介 ：方向（1977—），男，湖北黄冈人，硕士研究生，工程师，研究方向 ：通讯 / 网络电源、新能源汽车电源。
149
第 42 卷
数字技术与应用
关 S1 和 S4 由相同占空比 D 控制，因此输出 - 输入电压
比由 ：D/（1-D）给出，这种策略变换器效率较低。本
full load(Da=0.4)
95.5 96 96.4 96.6 96.7 96.9
half load(Da=0.4) 95.6 96 96.5 96.7
Input Voltage (V)
图 8 整机效率曲线
Fig.8 Overall efficiency curve
3 结论 本文提出了一种新颖且易实现的 BOB 变换器控制
策略。所提出的控制策略具有以下几个特点 ：（1）采用
了双占空比控制方案，增加了系统四开关管控制的灵活
性 ；（2）它可以使用通用的 PWM 控制器来实现所有开
关的控制，控制电路简单易于实现，除了控制器、驱动
器和一些无源元件外，几乎不需要额外高昂元器件 ；（3）
当输入电压从其最大值变化到最小值时，所提出的控制
为正，所以在 S1 导通之前，电感的电流流经 S2 体二极
管，此阶段持续到 t6。t6 之后，开始新的功率开关转换循 环周期。
在轻载或空载情况下，S2 接通后或“输入阶段”开
始前，电感电流为负，由开关 S1 的二极管导通。
如表 1(a) 和表 1(b) 所示，分析了不同负载情况所有开
关管的开关状态，可以看出，开关管部分工作在软开关状态。
Fig.2 Proposal of switch control timing diagram
150
第 42 卷
数字技术与应用
2 样机设计及实验结果 为了验证所提出的控制策略，设计并测试了一个 250W
的燃料电池 DC/DC 电源。电源规格和主要元器件参数 如下所示 ：
燃料电池 DC/DC 转换器。根据测试结果，在规格范围
表 1 开关管开关状态
Tab.1 Switch status of switch tube
(a) 重载时开关状态
S1 S2 S3 S4
turn on
turn off
:soft switch
:hard switch
(b) 轻载时开关状态
S1 S2 S3 S4
turn on
turn off
:soft switch
本文提出的变换器控制策略，可以通过使用常规 PWM 控制器实现，当输入电压从最大值变为最小值时，BOB 转 换器可以在降压模式（Vin>Vo）、升压模式（Vin<Vo）或
降压升压模式（Vin=Vo）下工作，无需特殊的时序控 制，可以轻松实现上述工作模式之间的连续转换，且所 有操作模式都提供连续的传递函数，这使得 BOB 变换器 非常适合实际应用。除此之外，该策略还可以自然地实 现开关管固有的部分零电压开关条件和低压开关管的选 择，从而实现系统高效率。结合所提策略，本文首先介 绍 BOB 变换器的工作原理，同时分析了 BOB 变换器的 时域特性和控制原理，最后设计了一台 250W 燃料电池 DC/DC 转换器样机，并给出了实验结果。 1 提出控制策略
关管控制时序。可以看出，无论 BOB 转换器在哪种模式
下工作，BOB 转换器开关都具有相同的定时控制顺序。
因此，以下内容将主要详细分析以 Buck 模式（如图 2
（a）所示）下 BOB 转换器的工作过程。其他两种操作模
式与 Buck 模式类似。为便于说明工作原理，开关 S1 和 S4
相同时刻开通。但实际上，S4 可以滞后 S1 打开一小部分占
早期 BOB 转换器比较少在公开论文上报道，传统 Buck-Boost 电路 [1] 由于输出电压与输入源极性相反，应 用场景受到限制。随后，LTC3440[2] 的技术规格书中对 四开关 BOB 拓扑进行了描述，该电路可在 Buck 模式、 Boost 模式或 Buck-Boost 模式下实现输出电压低于、高 于或等于输入电压下工作，但在上述任何模式下一个开 关将始终关闭，其应用受到功率等级、输入电压和输出 电压的限制。Vinciarelli 的专利 [3] 中提出了一种实现所 有开关零电压开启的控制方案，该方案具有复杂的开关 控制逻辑关系。
文提出一种双占空比控制的策略，其特点是 S4 占空比
（Da）采用前馈控制，S1 占空比（D）采用反馈控制。与
引用 [4] 策略相比，本文策略可以获得更高的效率。
如图 2(a)、图 2(b) 和图 2(c) 所示，分别显示了在 Buck
模式、Buck-Boost 模式和 Boost 模式下 BOB 转换器开
:hard switch
Buck 模式与其他两种模式的唯一区别是电感的电压
波形和电流波形。在 Boost 模式下，S3 开启后，电感器
两端的电压为负，电感电流以等于 (Vo-Vin)/L 的斜率线 性减小。在 Buck-Boost 模式下，S3 开启后，电感器两
S1
DT
T
S1
DT
T
S1
DT
S2
S2
S2
i V V d L =
−
in
o
dt
L
（2）
[t3 ～ t6]: 续流阶段。在 t=t3 时，S1 断开，S2 体二极
管先导通，然后 S2 在 t=t4 零电压条件下自然导通。此阶段
输出电压 Vo 加在电感上，电感电流以等于 Vo/L 斜率减小，
如式（3）所示 ：
diL = −V o
dt
L
（3）
在 t=t5 时，S2 关闭。由于重负载条件下，电感电流
电气和电子设备系统通常输出电压可能高于、低于 或近似等于输入电压，如在由燃料电池或直流电池供电 的系统中，输出电压可能会随着应用的时间或负载而变 化，输出电压在一些情况下可能高于或低于输入电压， 因此通常需要保持输出电压不受燃料电池或电池电压变 化 的 影 响， 对 于 这 类 电 源 管 理 问 题，BOB（Buck-orBoost）变换器是较佳解决方案，它提供了上述功能，适 合于不需要隔离、输出电压相对于输入电源没有极性反 转的燃料电池或电池电源系统的应用。
第 42 卷 第 1 期 2024 年 1 月
数字技术与应用 Digital Technology &Application
Vol.42 No.1 Jan 2024
中图分类号:TM46
文献标识码:A
DOI:10.19695/12-1369.2024.01.47
文章编号:1007-9416(2024)01-0149-04
规格 ： 输入电压范围 ：18V ～ 40V 额定输出电压 / 负载 ：DC24V/10.5A 规定负载条件 ： 18 ～ 24Vin, 半载 ;24 ～ 40Vin, 满载 参数设计 ： 开关频率 :165KHz 输入电容 (CB): 1000uF/50V, 1 pcs 输出电容 (Co): 470uF/35V, 4 pcs S1&S2: FDB035AN06A0,60V/80A/Ron=3.5mΩ S3&S4: HAT2164H,30V/60A/Ron=2.5mΩ 电感 L:7uH, 磁芯 :PJ30/3C96, 线规 :ψ0.2*100, 4Turns 如图 6 所示显示了满负载条件下 Buck 模式（Vin>Vo） 和 Boost 模式（Vin<Vo）下 S1 和 S4 的电感电流和驱动信 号，分别验证了图 2 中的工作原理。可以看出，在采用 的方案中，S4 比 S1 滞后。
新型四开关升降压 DC/DC 变换器控制方案设计与实现
方向 1 雷建明 2 1. 上海强松电源有限公司 ；2. 南京工业职业技术大学电气工程学院
本文提出了一种新颖且易于实现的 Buck-or-Boost （BOB）变换器控制策略，BOB 拓扑非常适合应用于燃 料电池或电池电源系统，基于本文提出的非线性双占空 比控制方案，BOB 变换器可以连续工作在 Buck 模式、 Boost 模式或 Buck-Boost 模式下，无需复杂时序控制， 实现输出电压可以高于、低于或等于输入电压。基于该 控制策略，设计了一个 250W 燃料电池应用 DC/DC 转 换器，实验结果证明了所提控制策略的可行性。
提高效率。
99.00
Efficiency (%)
98.00
97.00
96.00
95.00
94.00
18 20 22 24 27 30 33 36 40
full load(Da=0.3)
96.3 96.7 97.02 97.2 97.2 97
half load(Da=0.3) 96.90 97.33 97.66 97.87
所有开关的 D-S（Vds）电压波形如图 7 所示。
20V/div
10V/div
Vds(S1)
Vds(S3)
Vds(S2)
Vds(S4)
(a)S1&S2 Vds 波形 (40Vin, 满载 ) (b)S3&S4 Vds 波形 (40Vin, 满载 ) 图 7 开关管 Vds 电压波形
Fig.7 Voltage waveform of switch tube Vds 样机在输入范围和指定负载条件下的整体转换效率 如图 8 所示。另外从图 8 中也可以看出，降低 Da 有助于
S3
S3
S3
S4 DaT VL
S4 D
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
t
t0
t1 t2 t3 t4 t5 t6
t
(a)Buck 模式
(b)Buck-Boost 模式 图 2 提出开关管控制时序图
(c)Boost 模式
方案可以保证两个占空比连续变化，即使工作模式变换。
除上述优点外，开关管部分软开关条件的固有能力以及
低压额定值开关管的选择使系统具有实现高效率高功率
密度设计的潜力。综上所述，所提出的控制策略具有成
本低、效率高和易于实现的特点，使 BOB 变换器更适合
应用于燃料电池或类似升降压电压变换系统。
采用所提出的控制策略，研制并测试了一台 250W
i V d L = in
(1)
dt L
[t1 ～ t3]: 输入输出阶段。在 t=t1 时，S4 关闭，S3 体
二极管开始导通，然后 S3 在 t=t2 的零电压条件下自然导
通。该阶段持续到 S1 在 t=t3 时关闭。在 t1 和 t3 时间间隔
内，输入源和电感中存储的能量一起将能量传递给负载，
电感电流以 (Vin-Vo)/L 的斜率线性增加，如式（2）所示 ：
S1 drive
10V/div
S1 drive
10V/div
S4 drive iL
S4 drive iL
(a) Buck 模式 (40Vin, 满载 ) (b) Boost 模式 (18Vin, 满载 ) 图 6 驱动信号和电感电流波形
Fig.6 Drive signal and inductive current waveform