高效率非隔离四开关Buck-Boost变换器的研究与设计

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1、国内图书分类号：TM46密级：公开国际图书分类号：621.314西南交通大学研究生学位论文高效率非隔离四开关Buck-Boost变换器的研究与设计年级二〇一五级姓名节帅申请学位级别工程硕士专业电气工程指导老师马红波副教授二〇一八年五月ClassifiedIndex:TM46U.D.C:621.314SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHANDDESIGNONHIGHEFFICIENCYNON-ISOLATEDFOURSWITCHBUCK-BOOSTCONVERTERGrade:2015Candid

2、ate:JieShuaiAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:ElectricalEngineeringSupervisor:AssociateProf.HongboMaMay.13,2018西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。西南交通大学硕士学位论文主要工作

3、（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1.分析四开关Buck-Boost变换器的拓扑结构及其工作原理，总结该变换器现有控制策略的优缺点。2.在对四开关Buck-Boost变换器的开关导通时序进行推演的基础上，重构了电感电流工作波形；从理论上分析该变换器在传统调制策略下未能实现全部开关管ZVS的原因。提出一种不需要区分变换器工作模式的开关管特定导通时序，以及相应的可实现全部开关管ZVS开通的电感电流波形；详细分析了该导通时序下FSBB变换器的工作模态。3.根据提出的四开关Buck-Boost变换器导通时序和电感电流波形，提出定移相角定频调制策略，详细

4、分析其工作原理、参数设计，并进行仿真验证。针对定移相角调制策略中变换器电感反向电流过大和软开关范围过窄的问题，对该调制策略进行优化设计，并提出变移相角定频调制策略，通过工作原理分析、参数设计以及仿真分析，验证了所提调制策略的正确性。4.为了验证论文所提变移相角定频调制策略的可行性，实验室研制了一台500W的四开关Buck-Boost变换器原理样机。实验结果表明变换器在宽输入电压范围(200V~400V)、宽功率范围(50W~500W)内可实现全部开关管的软开关，满载工作效率最高达96.2%。西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要近年来，随着航天与通信领域的迅猛发

5、展，迫切需要适用于宽输入电压范围、可实现升降压功能的高效率DC-DC变换器拓扑。在几种基本非隔离型变换器中，Buck变换器只能降压，且变换器变换效率最高点一般出现在输入电压较低的时候，而Boost变换器则恰恰相反。相较于传统的升降压变换器，四开关Buck-Boost变换器因其具有输入输出电压同极性、无源器件少、开关管电压应力低的优点成为学术界和工业界研究的热点。四开关Buck-Boost变换器的传统控制策略通常需要区分变换器的工作模式、存在控制结构复杂，无法实现全部开关管ZVS开通的缺陷，影响了变换器效率的进一步提高。为了解决这一问题，论文提出了四开关Buck-B

6、oost变换器的两种定频调制策略，分别为定移相角调制策略和变移相角调制策略。本论文首先讨论了四开关Buck-Boost变换器开关管可能存在的导通时序，详细分析了不同导通时序下变换器的电感电流波形。进而提出了一种无需区分变换器工作模式的导通时序，及其相应的实现全部开关管ZVS开通的电感电流工作波形。详细分析了变换器的工作模态，研究该工作模态下变换器的调制策略。然后，根据重构的多段式电感电流工作波形提出了定移相角定频调制策略，并详细介绍了其工作原理、参数设计以及仿真验证。然而，研究发现该调制策略存在软开关的范围窄及(轻载、高压输入)电感反向电流过大的问题。为此，论文对

7、上述调制策略进行了改进，进一步提出变移相角定频调制策略。实验室研制了一台200V~400V输入、300V输出、功率500W的变移相角定频调制策略的原理样机。实验结果证明，在宽输入电压范围、输出功率50W~500W内，变换器实现了全部开关管的软开关，满载时变换器工作效率最高96.2%。关键词：四开关Buck-Boost变换器；导通时序；软开关；调制策略西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentoftheaerospaceandcommunications,thereisanurge

8、ntnee