-)在輸入電壓40V，輸出電壓48V的工況下，電壓增益為定值，所以占空比、的比值固定，PI參數(shù)是通過閉環(huán)控制PI調(diào)節(jié)后得到的占空比驅(qū)動(dòng)信號(hào)，PI參數(shù)需兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，會(huì)通過實(shí)時(shí)反饋來調(diào)整占空比，導(dǎo)致占空比與開環(huán)理論值不同。觀察最小電感電流值分別為2.6A、4A、6A時(shí)的電壓增益分別為：1.23、1.21、1.20。最小電感電流為2.6A時(shí)，未能完全實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，導(dǎo)致開關(guān)損耗增大，不滿足設(shè)計(jì)理念。在最小電感電流4A和6A的等級(jí)下，最小電感電流為4A時(shí)的電壓增益更大，并且在最小電感電流4A等級(jí)下，變換器的通態(tài)損耗更小，因此取最小電感電流為4A合適。經(jīng)過軟開關(guān)分析與通態(tài)損耗分析，可以得出：將最小電感電流設(shè)置為4A合適。驗(yàn)證了最小充放電電感電流計(jì)算過程中選擇的正確性。4.5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證經(jīng)過以上方案原理分析以及仿真驗(yàn)證后，通過示波器觀察四開關(guān)Buck-Boost變換器的電感電流波形，以及開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形和電壓波形，觀察實(shí)驗(yàn)波形是否與理論波形和仿真波形大致相符，驗(yàn)證四個(gè)開關(guān)管是否實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。開關(guān)管S2比較容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，選取開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和電壓波形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。調(diào)整輸入電壓為40V，使變換器工作在Boost模式，通過示波器觀察到的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和電壓波形以及電感電流波形如圖4-51所示。a)完整圖b)一個(gè)周期內(nèi)放大圖圖4-51Boost模式下驅(qū)動(dòng)和電壓波形以及電感電流波形通過觀察，電感電流呈現(xiàn)四邊形性狀，且在第一個(gè)拐點(diǎn)處取得最大值。在一個(gè)周期內(nèi)，電感電流在四個(gè)開關(guān)階段內(nèi)對(duì)開關(guān)管的寄生電容進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。通過觀察開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和電壓波形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，其電壓波形迅速下降至接近零電壓，表明開關(guān)管處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，開關(guān)管截止，電壓波形快速上升至較高電壓值。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿到來時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)管的電壓波形已降至接近0V，說明開關(guān)管在導(dǎo)通瞬間滿足ZVS條件,實(shí)現(xiàn)ZVS開通。調(diào)整輸入電壓為60V，使變壓器工作在Buck模式，通過示波器觀察開關(guān)管驅(qū)動(dòng)和電壓波形以及電感電流波形如圖4-52所示。a)完整圖b)一個(gè)周期內(nèi)放大圖圖4-52Buck模式下驅(qū)動(dòng)和電壓波形以及電感電流波形通過觀察，電感電流呈現(xiàn)四邊形性狀，且在第二個(gè)拐點(diǎn)處取得最大值。與變換器工作在Boost模式時(shí)類似，當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，其電壓波形迅速下降至接近零電壓；當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，開關(guān)管截止，電壓波形快速上升至較高電壓值。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿到來時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)管的電壓波形已降至接近0V，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)?？紤]到電路元件并非理想元件以及示波器設(shè)備可能存在接觸不良等問題，所測波形與理想波形并非完全一致，在一些時(shí)刻存在尖峰。但是在大體上可以反映出所設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性，符合設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求。第5章三級(jí)并聯(lián)5.1仿真模型構(gòu)建通過三級(jí)并聯(lián)可以使輸出功率達(dá)到1500W，滿足設(shè)計(jì)需要。三級(jí)并聯(lián)可以提升功率處理能力，通過并聯(lián)分?jǐn)傠娏?，單個(gè)開關(guān)管電流應(yīng)力減小，總電流承載能力提升，適用于高功率應(yīng)用場景；降低導(dǎo)通損耗：并聯(lián)后總導(dǎo)通電阻減小，導(dǎo)通損耗降低，提高電路效率。增強(qiáng)可靠性，具備一定冗余性，某一支路開關(guān)管損壞時(shí)，其他支路仍可工作，保障電路部分功能。將四開關(guān)Buck-Boost變換器進(jìn)行三級(jí)并聯(lián)，通過搭建功率約1500W的變換器，來驗(yàn)證變換器的性能，以及四邊形控制方式下的效率表現(xiàn)，主電路仿真圖如圖5-1所示。圖5-1三級(jí)并聯(lián)主電路仿真按照第三章提供的設(shè)計(jì)方案與參數(shù)計(jì)算結(jié)果，并通過仿真驗(yàn)證，對(duì)所設(shè)計(jì)出的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，可以得出變換器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。將四開關(guān)Buck-Boost變換器進(jìn)行三級(jí)并聯(lián)后，功率從500W提升至1500W，輸出電壓仍為48V，因此所需負(fù)載電阻的阻值變?yōu)?.536Ω，其他參數(shù)值維持不變，變換器參數(shù)值如表5-1所示。表5-1變換器參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)電感1.6μH最小電感電流4A死區(qū)時(shí)間70ns輸入輸出側(cè)電容800μF負(fù)載電阻4.608ΩBoost模式輸入電壓范圍20~44VBuck-Boost模式輸入電壓范圍44~51VBuck模式輸入電壓范圍51~70V控制電路分為開環(huán)設(shè)計(jì)與閉環(huán)設(shè)計(jì)，與單相不同，三級(jí)并聯(lián)需要驅(qū)動(dòng)12個(gè)開關(guān)管，同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)放在一個(gè)控制電路里，因此需要6個(gè)控制電路來驅(qū)動(dòng)所有開關(guān)管。PWM發(fā)波邏輯與單相一致，仿真電路圖如圖5-2所示。圖5-2三級(jí)并聯(lián)控制電路仿真5.2仿真驗(yàn)證首先進(jìn)行開環(huán)仿真，與單相拓?fù)漕愃?，將輸入電壓分別設(shè)置為20V、30V、40V、44V、51V、60V、70V，時(shí)間步長設(shè)置為4.5E-08，仿真總時(shí)間設(shè)置為0.12s，測得開環(huán)仿真下各個(gè)輸入電壓等級(jí)下電感電流波形如圖5-3至圖5-9所示。圖5-3輸入電壓20V時(shí)電感電流波形圖5-4輸入電壓30V時(shí)電感電流波形圖5-5輸入電壓40V時(shí)電感電流波形a)Buck-Boost模式b)Boost模式圖5-6輸入電壓44V時(shí)電感電流波形a)Buck-Boost模式b)Buck模式圖5-7輸入電壓51V時(shí)電感電流波形圖5-8輸入電壓60V時(shí)電感電流波形圖5-9輸入電壓70V時(shí)電感電流波形理論上，三級(jí)并聯(lián)參數(shù)一致，各支路電感電流應(yīng)具有良好對(duì)稱性。圖中三條曲線周期一致，但峰值與谷值存在細(xì)微差異，可能與占空比的計(jì)算以及能量的損耗有關(guān)，需進(jìn)一步檢查參數(shù)一致性與控制精度。測得開環(huán)仿真下各個(gè)輸入電壓等級(jí)下的輸入輸出電流波形如圖5-10至圖5-16所示，并記錄輸入電流和輸出電流的紋波率。圖5-10輸入電壓20V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.001816630.9953×100%圖5-11輸入電壓30V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.001363431.0949×100%圖5-12輸入電壓40V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00145331.1432×100%a)Buck-Boost模式b)Boost模式圖5-13輸入電壓44V時(shí)輸入輸出電流波形Buck-Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00154531.1627×100%Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00162631.1628×100%a)Buck-Boost模式b)Buck模式圖5-14輸入電壓51V時(shí)輸入輸出電流波形Buck-Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00447530.9114×100%Buck模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.0132730.9113×100%圖5-15輸入電壓60V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00595830.7951×100%圖5-16輸入電壓70V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00635430.7552×100%紋波率越低，說明電流波動(dòng)越小，電源輸出越穩(wěn)定。輸入輸出電流紋波率均低于3%，屬于較低水平，優(yōu)于大多數(shù)工業(yè)級(jí)電源的典型指標(biāo)。這表明輸入側(cè)的干擾被有效抑制；輸出側(cè)的負(fù)載調(diào)整率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，能夠?yàn)楹蠖嗽O(shè)備提供穩(wěn)定的電流供應(yīng)。然后進(jìn)行閉環(huán)仿真，將輸入電壓分別設(shè)置為20V、30V、40V、44V、51V、60V、70V，時(shí)間步長設(shè)置為4.5E-08，仿真總時(shí)間設(shè)置為0.12，測得閉環(huán)仿真下各個(gè)輸入電壓等級(jí)下電感電流波形如圖5-17至圖5-23所示。圖5-17輸入電壓20V時(shí)電感電流波形圖5-18輸入電壓30V時(shí)電感電流波形圖5-19輸入電壓40V時(shí)電感電流波形a)Buck-Boost模式b)Boost模式圖5-20輸入電壓44V時(shí)電感電流波形a)Buck-Boost模式b)Buck模式圖5-21輸入電壓51V時(shí)電感電流波形圖5-22輸入電壓60V時(shí)電感電流波形圖5-23輸入電壓70V時(shí)電感電流波形與開環(huán)仿真類似，圖中三條曲線周期一致，但峰值與谷值存在細(xì)微差異，可能是由于并聯(lián)支路元件參數(shù)不完全匹配、仿真數(shù)值誤差或控制策略在實(shí)際執(zhí)行中的微小偏差所致，需進(jìn)一步檢查參數(shù)一致性與控制精度。測得閉環(huán)仿真下各個(gè)輸入電壓等級(jí)下輸入輸出電流波形如圖5-24至圖5-30所示。圖5-24輸入電壓20V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.0015599731.2608×100%=0.005%，輸入電流的紋波率為0.33573575.9379圖5-25輸入電壓30V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.000420631.2567×100%圖5-26輸入電壓40V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00134531.2681×100%a)Buck-Boost模式b)Boost模式圖5-27輸入電壓44V時(shí)輸入輸出電流波形Buck-Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00104531.4257×100%Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00152631.4756×100%a)Buck-Boost模式b)Buck模式圖5-28輸入電壓51V時(shí)輸入輸出電流波形Buck-Boost模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.003047531.3944×100%Buck模式下：經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.007392731.3288×100%圖5-29輸入電壓60V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.002913531.2591×100%=0.0093%，輸入電流的紋波率為圖5-30輸入電壓70V時(shí)輸入輸出電流波形經(jīng)過計(jì)算，輸出電流的紋波率為0.00335431.2652×100%輸入輸出電流紋波率均低于3%，屬于較低水平。從整體上看，閉環(huán)控制的輸入輸出電流紋波率比開環(huán)低，說明閉環(huán)控制的抗干擾能力更強(qiáng)，閉環(huán)控制通過反饋機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出并與輸入比較，能及時(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電流紋波率低說明其對(duì)諸如負(fù)載突變、電源波動(dòng)等外部干擾的抑制效果更好，而開環(huán)控制無反饋調(diào)整機(jī)制，干擾易導(dǎo)致電流波動(dòng)大、紋波率高。閉環(huán)控制的精度和穩(wěn)定性更優(yōu)，閉環(huán)控制能動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使輸出更接近理想值，電流紋波小意味著輸出更平穩(wěn)、控制精度更高。開環(huán)控制依賴預(yù)設(shè)參數(shù)，對(duì)元件特性變化敏感，易出現(xiàn)電流波動(dòng)，穩(wěn)定性和精度較差。綜上，閉環(huán)控制憑借反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，在抑制電流紋波、提升控制精度與穩(wěn)定性方面顯著優(yōu)于開環(huán)控制，更能滿足高性能電力電子系統(tǒng)的需求。結(jié)論本文以四開關(guān)Buck-Boost變換器為研究對(duì)象，主要目的為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通及關(guān)斷，達(dá)到ZVS的控制效果，采用四邊形控制策略。利用四開關(guān)Buck-Boost變換器的三個(gè)控制自由度，使變換器工作在Boost模式、Buck-Boost模式、Buck模式三種工作模式下，對(duì)多自由度進(jìn)行靈活控制，使電感電流波形接近于理想波形，從而利用電感電流的正向與負(fù)向流動(dòng)對(duì)寄生電容進(jìn)行充放電，從而達(dá)到軟開關(guān)的控制效果。針對(duì)變換器工作過程通態(tài)損耗大的問題，本文提出了ZVS控制策略并有效將電感電流有效值將至較低值，從而大大降低了開關(guān)管的通態(tài)損耗。針對(duì)功率未能達(dá)到理想值的問題，本文采用了將四開關(guān)Buck-Boost變換器進(jìn)行三級(jí)并聯(lián)的方法，從而將輸出功率從500W提升至1500W。本文研究內(nèi)容可總結(jié)如下：（1）基于對(duì)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過程的分析，研究四邊形控制原理，學(xué)習(xí)了解軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)過程，分析變換器在四個(gè)階段的工作原理以及電感電流動(dòng)態(tài)走向。閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析及仿真技術(shù)和相關(guān)軟件，建立數(shù)學(xué)模型和仿真模型。（2）推導(dǎo)相關(guān)公式，利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)并計(jì)算出了電感值、最小電感電流值，死區(qū)時(shí)間范圍、輸入輸出電容值，并根據(jù)仿真驗(yàn)證和損耗分析設(shè)置出最理想的最小電感電流和死區(qū)時(shí)間以滿足設(shè)計(jì)需要，繪制出了各模式下輸入，，三維關(guān)系曲線圖，利用三維曲線圖設(shè)計(jì)出了三種工作模式下的輸入電壓范圍。（3）利用PSIM仿真軟件，搭建了主電路和控制電路的仿真，每個(gè)工作模式取7組工況進(jìn)行仿真。重點(diǎn)觀察了電感電流波形、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形以及開關(guān)管電壓波形（、），將所觀察到的仿真波形與理論波形進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)觀察四個(gè)開關(guān)管的軟開關(guān)情況，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方案的可行性。輸入電壓為44V時(shí)，分別讓其工作在Boost模式和Buck-Boost模式；輸入電壓為51V時(shí)，分別讓其工作在Buck模式和Buck-Boost模式，以驗(yàn)證各模式的平滑切換。（4）在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成器件選型以及相關(guān)元件的焊接，并在樣機(jī)平臺(tái)上通過示波器觀察電感電流波形與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，結(jié)合仿真波形與理論波形進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證控制方式的高效及有效性。本文對(duì)四開關(guān)Buck-Boost變換器的控制方式進(jìn)行了研究，課題中仍存在一些問題需要進(jìn)一步完善：（1）本課題主要研究方向?yàn)樗拈_關(guān)Buck-Boost變換器工作在Boost模式和Buck-Boost模式下的性能。當(dāng)變換器工作在Buck模式時(shí)，本控制策略具有一定的局限性，在輸入電壓51V及以上的輸入電壓等級(jí)下，ZVS控制效果不佳，從而影響電路的性能。（2）因變換器工作在Buck模式時(shí)存在一定局限性，輸入電壓為51V時(shí)，未能實(shí)現(xiàn)變換器從Buck-Boost模式下到Buck模式下的平穩(wěn)過渡，多模式平滑切換控制策略未能完全實(shí)現(xiàn)。未來可探索將智能控制算法與現(xiàn)有的四邊形控制策略相結(jié)合，進(jìn)一步提升變換器在復(fù)雜工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與控制精度，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的零電壓開關(guān)（ZVS）效果，減少開關(guān)損耗的同時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)波動(dòng)和外部干擾的魯棒性。針對(duì)新能源汽車充放電、可再生能源微電網(wǎng)等對(duì)功率密度和效率要求極高的場景，開展針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究變換器在寬輸入輸出電壓范圍、高功率密度需求下的適應(yīng)性，推動(dòng)其在新興領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。通過多維度的探索與改進(jìn)，希望可以進(jìn)一步提升四開關(guān)Buck-Boost變換器的性能、可靠性與適用性，推動(dòng)其在電力電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與技術(shù)升級(jí)。參考文獻(xiàn)李暉,劉棟,姚丹陽.面向碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的我國電力系統(tǒng)發(fā)展研判[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2021,41(18):6245-6259.JuC,WangP,GoelL,etal.ATwo-LayerEnergyManagementSystemforMicrogridsWithHybridEnergyStorageConsideringDegradationCosts[J].IEEETransactionsonSmartGrid,2018,9(6):6047-6057.KhanMA,HusainI,SozerY.ABidirectionalDC–DCConverterWithOverlappingInputandOutputVoltageRangesandVehicletoGridEnergyTransferCapability[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2014,2(3):507-516.劉琦,時(shí)雷雷,徐奇,等.四開關(guān)升降壓變換器高效控制策略研究與設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2025,45(02):690-704.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.231719.周宗杰.四開關(guān)Buck-Boost變換器ZVS控制策略研究[D].浙江大學(xué),2019.賈磊磊.H橋Buck-Boost變換器多模式運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)研究[D].燕山大學(xué),2022.K.A.OgudoandP.Umenne,"DesignofaPVBasedPowerSupplywithaNonInvertingBuck-BoostConverter,"2019IEEEPES/IASPowerAfrica,Abuja,Nigeria,2019,pp.545-549,doi:10.1109/PowerAfrica.2019.8928656.keywords:{Batteries;Mathematicalmodel;Solarpanels;Voltagecontrol;Resistance;Switches;Capacitance;Buck-boostconverter;DC-DCconverter;Photovoltaic(PV)System;Solarchargecontroller;SIMetrixsoftware},LEEYJ，KHALIGHA，EMADIA.Acompensationtechniqueforsmoothtransitionsinnon-invertingbuckboostconverter［C］//2009Twenty-FourthAnnualIEEE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