四开关降压+升压变换器在ZVS调制策略下的输出电压纹波分析与电容选型研究

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Output Voltage Ripple Analysis and Capacitor Sizing in a Four-Switch Buck+boost Converter Under ZVS Modulation Strategies

本文针对四开关降压+升压(FSBB)变换器在零电压开关(ZVS)调制策略下的输出电压纹波问题开展研究。通过分析四种不同工作模式下输出电流与电感电流的相对大小关系，推导出峰值电压纹波的理论计算公式，为ZVS调制下输出电容的选型提供理论指导。研究还对比了三种先进ZVS调制方案的纹波特性，并通过仿真和实验验证了理论分析的正确性，对提升功率密度和优化变换器性能具有重要意义。

　　

随着电动汽车充电、电池储能系统等宽电压范围应用场景的快速发展，四开关降压+升压(FSBB)变换器因其兼具降压和升压功能、支持双向功率流动等优势受到广泛关注。然而，在追求更高功率密度的趋势下，开关频率的不断提升导致开关损耗问题日益突出。零电压开关(ZVS)调制技术通过利用电感电流对MOSFET寄生电容进行充放电，实现开关管的零电压开通，可有效降低开关损耗。但现有研究多集中于调制策略的优化，对ZVS调制下FSBB变换器的输出电压纹波特性及其对电容选型影响的研究尚不充分。

为此，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了题为"Output Voltage Ripple Analysis and Capacitor Sizing in A Four-Switch Buck+Boost Converter Under ZVS Modulation Strategies"的研究论文。该研究首次对四段电感电流模式ZVS调制下的FSBB变换器输出电压纹波进行了系统分析，建立了完整的理论模型，为输出电容的精确选型提供了重要依据。

研究采用理论推导与实验验证相结合的方法。首先基于四段电感电流模式ZVS调制的工作特性，根据输入输出电压关系(V_in与V_out的大小比较)以及输出电流I_out与开关时刻电感电流(I₁、I₂)的相对大小，将工作状态划分为四种典型情况，分别建立对应的峰值电压纹波计算模型。通过电荷平衡原理，推导出各情况下的电压纹波解析表达式。研究还进一步分析了T₄=0时的三段电感电流模式调制，以及其与三角电流模式(TCM)ZVS调制的关系。

输出电压纹波分析结果

研究人员针对升压模式(V_in<>_out)和降压模式(V_in>V_out)分别进行了详细分析。当I₂≥I_out时，峰值电压纹波计算公式为ΔV_{pp_boost_1} = [(I₁+I₂-2I_out)T₂]/(2C_out) + [(I₂-I_out)²T₃]/[2(I₂-I₀)C_out]；当I₂≤I_out时，计算公式简化为ΔV_{pp_boost_2} = [(I₁-I_out)²T₂]/[2(I₁-I₂)C_out]。降压模式下的计算公式也具有类似的对称性。

电容选型指导

基于理论推导结果，研究给出了满足特定电压纹波要求的最小电容计算公式。例如对于I₂≥I_out的情况，所需最小电容为C_out ≥ [(I₁+I₂-2I_out)T₂]/(2ΔV_{pp_max}) + [(I₂-I_out)²T₃]/[2(I₂-I₀)ΔV_{pp_max}]。这些公式为工程师在实际设计中快速确定电容参数提供了实用工具。

不同调制策略对比

研究团队还将提出的分析方法应用于三种先进ZVS调制策略的对比：[12]提出的最小电感电流RMS值调制、[13]的伪临界连续电流模式(PCRM)调制以及[18]的变频率调制。在输入电压150-250V、输出电压200V、功率1.2kW的条件下，[12]和[13]的调制策略产生的电压纹波相同，而[18]的变频率调制在大部分工作点表现出更低的电压纹波。仿真结果与理论计算高度吻合，验证了分析方法的正确性。

实验验证

研究人员搭建了实验原型进行验证，采用C3M0032120J MOSFET作为开关器件，电感值为100μH，输出电容为105μF。在输入电压150V、输出电压200V、功率1.2kW的工作条件下，实验测量得到的电压纹波约为1V，与理论计算的0.94V和0.92V高度一致。同时，实验波形证实了所有开关管均实现了ZVS开通，转换效率达到98.7%-99.0%。

该研究的理论分析为FSBB变换器在ZVS调制下的电容选型提供了重要依据，有助于在满足电压纹波要求的前提下优化系统体积和成本。研究人员指出，未来可进一步考虑电容等效串联电阻(ESR)的影响，以提升电压纹波模型的精确度。这项工作对推动高频高效功率变换技术的发展具有重要意义，为宽电压范围应用的功率转换系统设计提供了理论支撑和实践指导。