一种四开关Buck-Boost变换器的自适应变频控制策略

本发明涉及电力电子，具体为一种四开关buck-boost变换器的自适应变频控制策略。

背景技术：

1、近年来，光伏储能、车载充电及usb pd快充等领域对dc-dc变换器提出了宽范围电压变换的需求。传统的buck变换器只能降压，boost变换器只能升压，单一拓扑难以应对输入电压大幅波动的场景。虽然通过级联或反极性buck-boost拓扑可以实现升降压，但往往存在输出电压反相、无源器件多、体积大等问题。四开关buck-boost变换器作为一种非隔离型拓扑，能够实现同相输出的升降压功能，在宽输入电压范围内具备明显优势。然而，该变换器在实际应用中仍面临控制策略复杂、模式切换时输出电压易波动、全负载范围效率优化困难等挑战，制约了其在高功率密度场景下的推广。

2、四开关buck-boost变换器能够适应宽输入电压范围下的电压转换要求，然而其功率开关管的零电压开通会导致电感电流纹波增大，导致高负载电流工况下的能量转换效率受限。为解决这一问题并实现半导体器件在宽负载电流场合下的软开关，有关学者提出了各种效率优化策略。现阶段，四开关buck-boost变换器的效率优化策略主要分为两大类，一种为固定开关频率控制策略，另一种为变开关频率控制策略。其中，固定开关频率控制策略在负载电流范围窄的应用领域具有一定优势，然而，在宽负载电流应用领域，其无法同时兼顾重载和轻载效率，同时，大电流输出时，容易导致功率开关管的零电压导通特性丢失。变开关频率控制策略通过控制开关频率随负载增加而降低来保证功率开关管在全负载范围内的零电压开通，但会导致开关频率变化区间过大，影响变换器的稳定工作，不利于emi电路的设计。

技术实现思路

1、为解决背景技术中提出的问题，本发明提供如下技术方案，

2、针对四开关buck-boost变换器在宽负载电流范围应用下无法同时兼顾变换器运行效率，全部功率开关管的零电压开通以及较窄的开关频率变化范围的问题，本发明提供一种自适应变频控制策略。该控制策略能够确保vt1、vt1s、vt2、vt2s在全负载范围内工作在零电压开通状态，进一步减小了半导体器件的开关损耗；有效压缩了开关频率的变化区间，有助于提升四开关buck-boost变换器的工作效率。

3、一种四开关buck-boost变换器的自适应变频控制策略，基于四开关buck-boost变换器，所述四开关buck-boost变换器包括buck桥臂、功率电感、boost桥臂和滤波电路，其中，buck桥臂包括功率开关管vt1和vt1s；boost桥臂包括功率开关管vt2s和vt2；滤波电路包括输入滤波电容cin和co；vt1漏极与电源正极相连，vt1源极和vt1s漏极相连，vt1s源极与电源负极相连；vt2s漏极与输出正极相连，vt1源极和vt1s漏极相连，vt2源极与电源负极相连；功率电感一端与vt1源极相连，另一端与vt2s源极相连；vt1s源极域vt2源极相连；输入滤波电容cin一端与电源正极相连，另一端与电源负极相连；输出滤波电容co一端与负载正极相连，另一端与负载负极相连；

4、所述控制策略的具体步骤为：

5、步骤1：通过控制开关管的导通时序，改变电感电流方向，从而实现四个功率开关管的零电压开通；

6、步骤2：vt1和vt2的零电压开通特性，需要满足电感电流为负，负电流izvs的取值公式为：

7、(2)

8、步骤3：轻载工况下，四开关buck-boost变换器工作在伪电感电流断续导通状态；

9、步骤4：重载工况下，四开关buck-boost变换器工作在伪电感电流连续导通状态；

10、步骤5：当输入电压不等于输出电压时，四开关buck-boost变换器轻载工况和重载工况的临界电流可根据最低开关周期求得：

11、(6)

12、步骤6：当输入电压等于输出电压时，控制变换器的开关周期ts处于最高值且保持不变；当输入电压等于输出电压时，模态一t1和模态三t3的持续时间相同；轻载工况下，变换器工作在伪电感电流断续模式，控制模态一t1的持续时间保持不变且令电感电流次峰值略大于负电流的绝对值；模态二t2的持续时间随负载电流的增加而增加：

13、(7)

14、步骤7：重载工况下，变换器工作在伪电感电流连续导通模式；控制模态一t1和模态三的持续时间随负载电流的增加而增加；模态二t2的持续时间则以最长持续时间为基准减少两倍的模态一t1或模态三t3增加的时长；

15、(8)

16、(9)。

17、在一些实施方式中，步骤1中，一个开关周期内分为四个模态，第一个运行模态t1过程中vt1和vt2导通，第二个运行模态t2中vt1和vt2s导通，第三个运行模态t3中vt1s和vt2导通，第四个运行模态t4中vt1s和vt2导通；第一个运行模态t1中，电感电流两端电压为输入电压，第二个运行模态t2中，电感电流两端电压为输入电压与输出电压之差，第三个运行模态t3中，电感电流两端电压为输出电压，第四个运行模态t4中，电感两端电压为零；根据第二个模态t2中电感两端电压的大小关系，电感电流峰值出现在不同的开关动作点，当输入电压大于输出电压时，电感电流峰值出现在模态三t3的起始时刻，将模态二起始时刻的电流值称为电感电流次峰值；当输入电压小于输出电压时，电感电流峰值出现在模态二t2的起始时刻，将模态三t3起始时刻的电感电流值称为电感电流次峰值；当输入电压等于输出电压时，电感电流在模态二t2期间存在峰值平台，将模态二t2起始时刻称的电感电流值称为该工况下的峰值；每一个模态下的电感电流表达式为：

18、(1)。

19、在一些实施方式中，步骤3中，当输入电压高于输出电压时，控制模态一t1的持续时间不变且令电感电流次峰值略大于负电流的绝对值，模态三t3的持续时间可以根据四开关buck-boost变换器的电压增益公式得到；当输入电压低于输出电压时，控制模态三t3的持续时间不变且令电感电流次峰值略大于负电流的绝对值，模态一t1的持续时间可以根据四开关buck-boost变换器的电压增益公式得到；模态二t2阶段的持续时间为最高开关周期ts和最低输出电流工况下对应的导通时间；开关周期随负载电流的增加而降低，并且与最小开关周期、轻载与重载工况的临界电流与输出电流之间呈明确的比例关系：

20、(3)。

21、在一些实施方式中，步骤4中，当输入电压高于输出电压时，控制模态一t1的持续时间不变且令电感电流次峰值略大于负电流的绝对值，模态三t3的持续时间可以根据四开关buck-boost变换器的电压增益公式得到；当输入电压低于输出电压时，控制模态三t3的持续时间不变且令电感电流次峰值略大于负电流的绝对值，模态一t1的持续时间可以根据四开关buck-boost变换器的电压增益公式得到；开关周期以最高开关周期ts为基准随负载电流的增加而增加；模态二t2阶段可根据四开关buck-boost变换器的功率守恒公式和该负载电流工况下对应的开关周期推导得到：

22、(4)

23、(5)。

24、在一些实施方式中，vt1、vt1s、vt2、vt2s在全负载工况下实现零电压开通；开关频率在输入电压与输出电压不相等的工况下随负载电流增加呈现先增加后降低的变化轨迹。

25、本发明提供了一种四开关buck-boost变换器的自适应变频控制策略，与现有技术相比，具有以下显著有益效果：

26、（1）vt1、vt1s、vt2、vt2s实现宽负载电流工况下的零电压开通。有利于降低其在大电流工况下的开关损耗。

27、（2）开关周期随负载电流的增加呈现先增加后降低的变化轨迹。有利于兼顾轻载和重载工况下的能量转换效率，同时有效压缩了变频控制下，变换器在宽负载电流应用下的开关频率的变化区间。