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任小永等人在《中国电机工程学报》提出的双沿调制四开关Buck-Boost变换器研究

1. 研究作者与发表信息

本研究的作者包括任小永、阮新波、李明秋、钱海和陈乾宏，均来自南京航空航天大学自动化学院。研究论文《双沿调制的四开关Buck-Boost变换器》（Dual Edge Modulated Four-Switch Buck-Boost Converter）发表于2009年4月25日出版的《中国电机工程学报》（Proceedings of the CSEE）第29卷第12期。

2. 学术背景与研究目标

随着通信和计算机系统对高效、高功率密度电源需求的增长，传统的Buck-Boost变换器由于输入输出极性相反、开关管电压应力高等问题，难以满足分布式供电系统的需求。四开关Buck-Boost（FSBB）变换器因其输入输出同极性、开关管电压应力低等优势成为研究热点。本研究旨在提出一种新型控制策略，以优化FSBB变换器在宽输入电压范围（36~75 V）下的效率与性能。

研究的主要目标包括：
1. 提出一种三模式双频双沿调制控制策略，以降低开关损耗和电感电流脉动；
2. 通过实验验证该策略在48 V输入、48 V/6.25 A输出条件下的高效性；
3. 解决传统两模式控制在48 V附近切换时的输出电压不稳定问题。

3. 研究流程与方法

（1）变换器拓扑分析与控制策略设计

研究首先分析了FSBB变换器的拓扑结构（图4），将其分为Buck单元（Q1和Qsr1）和Boost单元（Q2和Qsr2）。通过推导输入输出电压关系（式4），发现输出电压是占空比d1和d2的函数。基于此，提出双沿调制策略：
- Buck模式（输入电压>48 V）：Q1采用后沿调制（关断时刻可调），Q2固定关断（d2=0）；
- Boost模式（输入电压<48 V）：Q1固定导通（d1=1），Q2采用前沿调制（开通时刻可调）；
- Buck-Boost模式（输入电压接近48 V）：引入滞环控制（45~51 V），Q1和Q2均高频工作，但开关频率从200 kHz降至40 kHz以降低损耗。

（2）电感电流优化与效率分析

通过数学推导（式7~11）和仿真（图7~9），研究发现：
- 电感电流有效值（ILf_rms）随d2增大而增大，因此需尽量减小d2；
- 双沿调制可显著降低电流脉动（图8），三模式进一步优化了48 V附近的稳定性；
- 降频策略（Buck-Boost模式40 kHz）使效率提升1.6%（图16）。

（3）实验验证

制作了一台48 V输入、48 V/6.25 A输出的样机（图13），关键实验包括：
- 波形测试：测量Buck、Boost和Buck-Boost模式下电感两端电压（图15）；
- 效率对比：三模式双频双沿调制的最高效率达97.8%，优于单模式调制（图16）。

4. 主要研究结果

1. 控制策略有效性：双沿调制使电感电流脉动降低30%~50%，三模式解决了48 V附近的电压失调问题。
   
2. 效率提升：Buck-Boost模式降频后，开关损耗减少，整体效率提高至97.8%。
   
3. 实验验证：样机在宽输入范围内均实现稳定输出，验证了理论分析的正确性。
   

5. 研究结论与价值

本研究提出的三模式双频双沿调制策略，为宽输入电压场景下的DC/DC变换器设计提供了新思路，其科学价值和应用价值包括：
1. 理论贡献：明确了占空比d1和d2对电感电流和效率的影响规律；
2. 工程应用：适用于通信电源、新能源系统等需要高效升降压的场合；
3. 创新性：首次将双频调制与三模式控制结合，兼顾了动态性能和效率。

6. 研究亮点

1. 多模式控制：通过Buck、Boost和Buck-Boost三模式无缝切换，解决了传统两模式的稳定性缺陷；
   
2. 双频调制：Buck-Boost模式下降低开关频率，平衡了损耗与电流脉动；
   
3. 实验验证：通过实测数据验证了理论的可行性，为工业设计提供了参考。
   

7. 其他有价值内容

• 自举驱动设计（图14）：解决了高压侧MOSFET的驱动问题，确保Q1在Boost模式下的稳定导通；
  
• 滞环控制参数优化：通过理论计算（式23）选择dm=0.85和Δu=3 V，避免了频繁模式切换。
  

（全文约2000字）