西南交通大学科研团队提出一种宽增益高效率的定频移相控制级联式四开关Buck-Boost LLC变换器

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两级式四开关Buck-Boost + LLC变换器因控制简单且具备隔离性而被广泛关注，但整体拓扑开关数量多，后级LLC谐振变换器常被当作直流变压器，存在软开关与磁性元件设计难优化、输入输出极端性情况下将出现电感电流过大等问题。 西南交通大学电能变换与控制实验室的周国华、邱森林和张小兵在2024年第4期《电工技术学报》上撰文，基于桥臂复用提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器，在不改变变换器参数的条件下将增益显著提高，减少开关数量，适应更宽范围的输入电压，同时保持了变换器较高的工作效率。 所提出的级联式变换器采用定频控制，简化了磁性元件设计，可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式与整流模式；同时采用移相控制，改变前级四开关Buck-Boost变换器中间电感电流的波形形状，实现所有开关管零电压导通和二极管零电流关断，减小了开关损耗。 研究人员首先对变换器的工作原理与两种模式下的工作模态进行分析，然后结合状态平面轨迹分析法，推导了两种模式下的输入-输出表达式和开关管的软开关实现条件，并给出了变换器的参数设计方法。最后，通过研制一台实验样机验证了理论分析的正确性。

锂离子电池过充或亏电需要宽输入范围的DC-DC变换器来改善输出特性。电动汽车动力电池组也需要宽输入电压范围的车载DC-DC变换器。在这些应用场合中，宽电压范围DC-DC变换器的隔离性、效率和参数优化均需考虑。因此，研究宽输入电压范围、高效率的DC-DC变换器具有重要意义。

常用的DC-DC变换器软开关设计困难、开关损耗大、效率难以提高。软开关拓扑的使用越来越广泛，而其中谐振变换器在特定的工作频率下，谐振电感、谐振电容与变压器构成谐振腔，无须借助其他电路与控制手段实现软开关。

传统LLC谐振变换器是通过调频来调节输出电压，变压器的励磁电感需足够小以达到宽输入电压范围的要求；但谐振电流将因此增大，从而使开关管损耗与变压器损耗增加，不利于效率提升且变压器优化设计困难。

综合宽输入电压范围和效率两方面的考虑，两级式非隔离型DC-DC+LLC变换器得到了广泛关注，其中集成四开关Buck-Boost + LLC拓扑如图1(a)所示，主要采用前级四开关Buck-Boost变换器进行调压，后级LLC谐振变换器工作于串联谐振频率，被当作直流变压器以实现隔离。

图1 集成四开关Buck-Boost + LLC拓扑与所提变换器拓扑

西南交通大学电能变换与控制实验室的科研人员提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器，其电路结构如图1(b)所示，桥臂S1、S2与桥臂S3、S4构成前级四开关Buck-Boost变换器，桥臂S3、S4与二次侧开关器件VD1、VD2、S5和S6构成后级半桥LLC谐振变换器。特殊全桥整流结构的S5与S6同时导通时，使变压器二次侧短路，谐振电感存储能量，从而在定频控制下提高变换器增益。

该变换器采用定频移相控制，其交叠模式与整流模式的模态波形如图2所示。

图2 变换器的主要工作波形

变换器可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式与整流模式，同时对变换器采用移相控制，改变中间电感电流的波形形状，实现一次侧开关管的软开关。

图3为所提出变换器的电压增益曲线，在定频模式下，全功率范围内调节交叠占空比可实现2.5以上的增益。

图3 增益M与交叠占空比doverlap关系曲线

图4 实验样机

图5 实验结果

最后，通过研制一台70～280V输入、240W/28V输出的实验样机，如图4所示，验证了理论分析的正确性。通过实验测试，变换器工作在整流模式时的峰值效率为94.4%，工作在交叠模式时的峰值效率为93.6%，如图5所示。与LLC类变换器综合比较，所提出的变换器在控制自由度、输入电压倍数和效率方面具有较大优势。

本文提出了一种二次侧为特殊全桥整流结构的定频控制级联式四开关Buck-Boost LLC变换器。根据不同输入电压范围，变换器工作于交叠模式与整流模式：工作于交叠模式时，变换器控制交叠占空比调节增益，稳定输出电压；工作于整流模式时，交叠占空比为零，增益为定值1，通过对一次侧桥臂S1、S2进行PWM控制来稳定变换器的输出电压。在这两种工作模式的基础上，对一次侧两个桥臂采用移相控制，实现了所有开关管的零电压导通和二极管的零电流关断。变换器在传统拓扑基础上拓宽了输入范围，可设计在4倍以上的输入电压倍数并且具有较高效率。

团队介绍

研究人员隶属于西南交通大学电能变换与控制实验室团队。团队负责人为许建平教授，现有教师10人（其中教授3人、副教授3人、副研究员1人、高级工程师1人、讲师2人），以及博士生和硕士生100余人。团队以电力电子技术与新能源行业为背景，重点开展高效电能变换与先进控制技术、新能源优化利用与绿色照明技术、储能系统及其能量管理技术、系统建模与稳定性分析等方向的教学与科研工作。

团队拥有国家首批百千万人才工程人选、全国百篇优秀博士学位论文获得者、四川省学术和技术带头人、四川省青年千人、四川省杰青、香江学者等各层次人才，入选四川省青年科技创新研究团队。已出版专著6部、译著1部，发表SCI/EI期刊论文400余篇，授权发明专利100余项；承担国家863重点项目子课题、国家科技支撑计划子课题、国家自然科学基金、教育部霍英东高校青年教师基金、四川省杰出青年基金、中央军委装备发展部预研项目等国家级/省部级/军工级科研项目50余项；荣获教育部自然科学二等奖、中国电源学会科技进步奖一等奖、四川省青年科技奖等奖励。

• 周国华，教授，博士生导师，全国优秀博士学位论文、霍英东青年教师基金、四川省杰出青年基金获得者，主要研究方向为电力电子变换器建模、调制与控制的基础理论及其在新能源与储能技术领域的应用；获教育部自然科学奖二等奖、四川省青年科技奖、詹天佑铁道科学技术奖青年奖等奖励。主持国家自然科学基金面上项目、四川省青年科技创新研究团队等国家级/省部级项目10余项；出版专著4部，发表学术论文200余篇(其中SCI收录源90余篇，EI收录源100余篇)，授权发明专利40余项。

• 邱森林，硕士研究生，研究方向为开关变换器拓扑及其控制技术。

• 张小兵，博士研究生，研究方向为储能变流器与电池均衡管理技术。

本文编自2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器”。本课题得到国家自然科学基金项目资助。

引用本文

周国华, 邱森林, 张小兵. 宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器[J]. 电工技术学报, 2024, 39(4): 1103-1115. Zhou Guohua, Qiu Senlin, Zhang Xiaobing. Cascaded Four-Switch Buck-Boost LLC Converter with Wide Gain Range and High Efficiency. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(4): 1103-1115.

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