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零电压开关双向四开关Buck-Boost变换器功率流向平滑反转
Smooth Reversal of Power Transfer Direction for ZVS Bidirectional Four-Switch Buck-Boost Converter
| 作者 | Lingxuan Xiao · Xinbo Ruan · Chi Kong Tse |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年7月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 DC-DC变换器 户用光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 双向DC - DC转换器 四开关升降压转换器 脉冲宽度调制与移相控制 零电压开关 功率传输反转 |
语言:
中文摘要
双向直流 - 直流转换器在可再生能源发电系统、住宅储能系统和电动汽车中得到了广泛应用。四开关升降压（FSBB）转换器具有功率开关电压应力低、输出为正以及可实现双向功率传输等特点。本文采用脉冲宽度调制（PWM）与移相控制相结合的方式对 FSBB 转换器进行控制，以实现正向和反向功率传输运行时所有功率开关的零电压开关（ZVS）。然后，提出了在一个开关周期内实现功率传输平稳反向的控制方法，避免了过大的电流过冲。最后，搭建了一台输出功率范围为 -5 至 5 千瓦的双向 FSBB 转换器样机并在实验室进行了测试，实验结果验证了所提控制方法的有效性。
English Abstract
Bidirectional dc–dc converters have found wide applications in renewable energy generation systems, residential energy storage systems, and electric vehicles. The four-switch buck-boost (FSBB) converter features low voltage stress on power switches, positive output, and bidirectional power transfer. In this article, the combined pulse width modulation (PWM) and phase-shift control is adopted for the FSBB converter to realize zero-voltage-switching (ZVS) for all the power switches in both forward and reverse power transfer operation. Then, the control methods for achieving smooth reversal of power transfer within one switching cycle are proposed, avoiding excessive current overshoot. Finally, a prototype of the bidirectional FSBB converter with an output power ranging from −5 to 5 kW is built and tested in the lab, and the experimental results are provided to verify the effectiveness of the control methods.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务布局来看，这项四开关双向Buck-Boost变换器（FSBB）的功率流平滑反转技术具有显著的应用价值。该技术通过结合PWM和移相控制实现全开关零电压开关（ZVS），并能在单个开关周期内完成功率传输方向的平滑切换，这与我们在储能系统和光储一体化解决方案中的核心需求高度契合。
在储能变流器（PCS）领域，该技术可有效提升充放电切换的动态响应性能。传统方案在功率反转时常出现电流过冲，影响电池寿命和系统稳定性。论文提出的平滑反转控制策略能够避免过度电流冲击，这对于我们的户用储能和工商业储能产品线尤为关键，可显著改善用户侧削峰填谷和需量管理的控制精度。5kW功率等级的实验验证也与我们主流户用储能产品规格相符，具备较强的工程化可行性。
从技术成熟度评估，该方案已完成原理样机验证，但工业化应用仍需关注几个方面：一是全工况下ZVS的实现边界条件，轻载和深度反向功率时的软开关性能需进一步验证；二是控制算法的数字化实现复杂度，需评估在现有DSP/FPGA平台上的计算资源占用；三是电磁兼容性和长期可靠性数据尚需积累。
对阳光电源而言，该技术的引入可在保持拓扑简洁性的前提下提升变换效率（ZVS可减少开关损耗1-2%），并增强产品在频繁充放电切换场景下的竞争力。建议在下一代储能变流器平台中进行预研验证，特别是针对电动汽车充电桩的双向DC-DC模块和光储充一体化系统，该技术可作为差异化优势的技术储备。