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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

一种具有无损电流检测和无缝切换的四开关Buck-Boost变换器高效率控制方法

A High-Efficiency Control Method WITH Lossless Current Sensing and Seamless Transition for Four-Switch Buck–Boost Converter

作者 Qi Liu · Qi Xu · Qinsong Qian · Song Ding · Weifeng Sun
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 四开关Buck - Boost变换器 零电压开关 无损电流采样 高效控制策略 峰值效率
语言:

中文摘要

四开关 Buck - Boost 变换器的四边形控制方法可使所有功率开关实现零电压开关(ZVS),从而实现高功率密度。然而,为确保 ZVS 的实现,需要对电感电流进行采样和调节,这会引入额外损耗并降低效率。本文提出了一种基于无损电流采样的高效控制策略,该策略可在所有工况下使电感电流幅值最小。此外,为确保不同模式间的平稳切换,当输入电压接近输出电压时,插入了一种过渡模式。最后,搭建了输入电压为 40 - 60V、输出参数为 48V/6A 的实验样机,以验证所提出的采样电路和控制策略的有效性。样机的峰值效率为 98.88%,标称输入电压下的满载效率为 98.14%。同时,提供了视频资料,展示了不同输入电压和负载条件下电感电流极低的均方根(RMS)值以及平稳的模式切换过程。

English Abstract

The quadrilateral control method for four-switch Buck–Boost converter can enable all of the power switches to achieve zero-voltage-switching (ZVS), thereby achieving high power density. However, the inductor current requires to be sensed and regulated to ensure the realization of ZVS, which will introduce the additional losses and degrade the efficiency. In this article, a high-efficiency control strategy based on lossless current sampling is proposed, which can achieve the minimum height of the inductor current over the whole working conditions. Moreover, to ensure the smooth switching between different modes, a transition mode is inserted when the input voltage is close to the output voltage. Finally, a prototype with input voltage of 40–60V and output parameters of 48V/6A is built to verify the effectiveness of the proposed sampling circuit and control strategy. The peak efficiency is 98.88%, while the full-load efficiency at the nominal input voltage is 98.14%. Meanwhile, a video material is provided to demonstrate the extremely low root mean square (RMS) value of the inductor current and the smooth switching process under different input voltage and load conditions.
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SunView 深度解读

从阳光电源业务视角来看,这项四开关Buck-Boost变换器的高效控制技术具有显著的应用价值。该技术通过无损电流采样和无缝模式切换实现了98.88%的峰值效率,这对我们的光伏逆变器和储能变流器产品线具有直接的技术借鉴意义。

在光伏系统应用场景中,该技术的宽输入电压范围(40-60V)和高效率特性与我们MPPT优化器的需求高度契合。特别是在组件级电力电子架构中,电压波动范围大且需要高转换效率,该控制方法实现的全工况ZVS软开关和最小电感电流纹波,能够有效降低磁性元件损耗和EMI干扰,这对提升系统可靠性和功率密度至关重要。

对于储能系统而言,该技术的价值更为突出。储能变流器需要频繁处理充放电双向功率流动,且电池电压随SOC变化显著。论文提出的过渡模式设计解决了输入输出电压接近时的模式切换问题,这正是储能应用中的痛点。98.14%的满载效率意味着在大规模储能电站中可实现可观的能量损耗降低和热管理成本节约。

技术挑战方面,无损电流采样电路的温漂特性、不同功率等级的可扩展性以及与现有数字控制平台的集成需要深入验证。建议我们的研发团队重点关注该技术在宽温度范围、高功率密度封装条件下的鲁棒性表现,并评估其在1500V高压系统中的适配潜力。该技术已达到工程化应用水平,建议启动预研项目,探索在下一代组串式逆变器和液冷储能PCS产品中的应用可行性。