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电力电子仿真（四十七）【独家】全网最全基于四开关buck-boost变换器的电压闭环仿真研究（仿真+原理讲解+Visio绘图）

随着 5G 基站和光伏系统等高频高效场景对电源性能要求的持续提升，传统 Buck-Boost 变换器在效率损耗、电压应力以及动态响应等方面的固有缺陷日益凸显。四开关 Buck-Boost 变换器（Four-Switch Buck-Boost，FSBB）凭借宽输入电压范围、功率双向传输和高功率密度等优势，成为解决上述问题的关键方案。

1 Buck-Boost变换器工作原理分析

双向Buck-Boost拓扑简介

双向Buck-Boost电路拓扑是由同步Buck电路和同步Boost电路级联而成。传统的Buck电路和Boost电路中由二极管续流，但在低压大电流场合，由于二极管上存在导通压降，会引起较大的导通损耗。利用MOS管代替传统的Buck电路和Boost电路中的续流二极管，由于MOS管开通时的管压降相对较低，能够显著降低电路中半导体的导通损耗，这种方式称为同步整流。

图1.1 双向Buck-Boost电路

即如上图1.1所示，双向同步整流Buck-Boost电路是由同步Buck电路和同步Boost电路构成，其中MOS管Q1，Q2和电感L构成同步Buck降压变换器电路，MOS管Q3，Q4和电感L构成同步Boost升压变换器电路。

由于同步整流Buck-Boost拓扑左右完全对称，即MOS管Q3，Q4和电感L也可以构成同步Buck降压变换器电路，MOS管Q1，Q2和电感L也可以构成同步Boost升压变换器电路。因此同步整流Buck-Boost电路在任何一方向上均可以实现升降压功能，即电路能量可以双向流动。

以左侧为输入，右侧为输出为例子，分析电路工作原理。当Q4常闭，Q3常开，Q1与Q2以特定占空比互补导通，则电路工作于Buck模式，如图1.2所示；当Q1常闭，Q2常开，Q3和Q4以特定占空比互补导通，则电路工作于Boost模式，如图1.3所示；当Q1和Q2，Q3和Q4均特定占空比互补导通，则电路工作于Buck-Boost模式（混合混合模式），如图1.1所示。

1.2 Buck工作模式

当输出电压显著小于输入电压时，电路工作在降压区（Buck模式），此时Q1和Q2以特定占空比互补导通，Q4常闭合Q3常开，电路等效于同步Buck电路。在实际应用中，Q1与Q4的为上管，通常采用自举升压的驱动方式，即对于Q4而言，在一个开关周期内，Q3需要有特定的导通时间，否则当Q4的自举电容能量损耗完时，Q4将截止。即该应用场合，可以使得Q3以很小得占空比导通，即Q4以接近满占空比导通。

当Q1开通Q2关断时，其等效电路如图1.4所示，输入V_in通过Q1为电感 L1 储能并为负载供电，电感两端的电压为V_in-V_out，电感电流线增加，电感储能，输出电容储能。

此时，输入输出电压，电感电流的关系为：

当Q1关断Q2开通时，其等效电路如图1.5，所示由于电感电流不能突变，电感电流方向不变，通过Q2进行续流，电感两端的电压为-V_out，电感电流线性减少，电感放能。

图1.6 Buck模式工作波形

1.3 Boost工作模式

当输出电压显著大于输入电压时，电路工作在升压区（Boost模式），此时Q3和Q4以特定占空比互补导通，Q1常闭合Q2常开，电路等效于同步Boost电路。

当Q3开通Q4关断时，其等效电路如图1.7所示，输入V_in通过Q3为电感 L 储能并为负载供电，电感两端的电压为V_in，电感电流线增加，电感储能，输出电容为负载供电。

图1.7 Boost模式电感储能阶段

1.4 Buck-Boost模式（混合模式）

当输出电压和输入电压接近时，工作于Buck模式和工作于Boost模式均不能满足输出电压的要求。这时需要Buck和Boost电路同时工作，即在一个开关周期内，Q1和Q2以特定占空比互补导通，Q3与Q4以特定占空比互补导通。

定义Buck电路的占空比为D1，Boost电路的占空比为D2，Buck电路输出的电压为V0,即Boost电路的输入电压为V0，其等效电路如下图1.10所示。

2.4.1 软开关实现原理

（1）零电压开通技术

零电压开通技术是让开关管在电压为零的时刻导通，通过这种方式降低开关损耗。具体实现过程与开关管自身的寄生电容特性密切相关。在 FSBB 变换器中，ZVS 实现的关键是通过控制开关管的导通与关断时序，避免电压和电流的重叠，四开关 Buck- Boost 变换器 ZVS 原理如图 2-6 所示。在 ZVS 条件下，开关管开通时电压为零，极大降低了开关过程中的能量损耗。开关管导通前，其寄生电容电荷需通过谐振放电至零。