一、非隔离双向Buck-Boost变换器的结构和运行原理
双向DC-DC变换器可分为两类，一类是非隔离型拓扑，另一类是含有中间变压器的隔离型拓扑，两类拓扑各有优劣。如果再细分开来，非隔离型拓扑有Buck-Boost、Zeta、Cuk、Sepic等，隔离型有正激、反激、半桥、全桥、推挽以及双有源桥（DAB）等拓扑。
非隔离双向Buck-Boost变换器是双向DC-DC变换器的最基础拓扑，也是工业界最常用的拓扑，它由2个开关管、1个电感、2个电容组成。其电路结构如图1所示。
图1 非隔离双向Buck-Boost变换器结构
图2为该变换器分别运行在升压和降压模式下的电流流向图。
在Boost模式下：
图2a 升压模式下，S1导通S2关断
图2b 升压模式下，S1、S2均关断
在Buck模式下：
图2c 降压模式下，S2导通，S1关断
图2d 降压模式下，S1、S2均关断
在Boost模式下，电压的增益为：Uhigh=Ulow/(1-D)。在Buck模式下，电压的增益为：Ulow=D*Uhigh。(升压时，D为S1的占空比；降压时，D为S2的占空比)。
更生动形象且可视化的Buck-Boost变换器的运行过程，在放鹤科技上传的视频中有详细展示。
视频链接：网页链接
但是，在上述运行过程中，变换器的开关器件始终运行在硬开关状态。那到底什么是硬开关和软开关呢？
二、硬开关和软开关
硬开关：
在实际的开关电路中，MOSFET、IGBT等开关器件并非理想开关器件，其开通和关断状态之间还存在中间的过渡状态。我们知道理想开关状态下，开关器件的端电压为0或流过开关管的电流为0，而两者的过渡状态下，电压、电流均不为0，两者出现交叠，因此会产生开关损耗，而电压和电流变化速度很快，波形会产生明显过充，从而产生了开关噪声，如图3a所示。这种开关过程被称为硬开关。
软开关：
软开关则是在开关开通或关断过程中，电压和电流没有交叠，从而显著降低开关损耗和电磁干扰。从上述定义可知，若要实现开关器件的软开关，则需要使其开通前两端电压降为0或使其关断前流过的电流降为0，如图3b所示。所以，软开关电路主要分为零电压开通和零电流关断。零电压开通时，开关开通前其两端电压为0；零电流关断时，开关关断前其流过的电流为0。
图3a 硬开关过程中电流和电压波形
图3b 软开关过程中电流和电压波形
最经典的软开关电路是利用谐振构造软开关条件，但是谐振往往需要外加谐振器件和电路，这不仅会增加电路的复杂度，也对电路的谐振参数计算有很高要求。
那是否有不增加谐振电路就实现Buck-Boost变换器软开关的方法呢？
三、非隔离双向Buck-Boost变换器的软开关实现方法
在对双向Buck-Boost电路进行理论分析时，我们都会假设L和C这两类无源器件的值很大。电感L很大就意味着低压侧的电感电流纹波很小，电容C很大就意味着低压侧和高压侧的电压纹波很小。
图4 Boost升压模式下，大电感量条件下的关键波形
我们以图2中双向Buck-Boost电路的升压模式为例，绘制图4的关键波形图。可以看到：
[t0-t1]：S1要关断，S2暂未开通，处于死区阶段。在S1关断前，流过S1的电流就是电感电流，在关断期间S1的电流下降，S1的电压应力上升，两者产生交叠，使S1产生较大的关断损耗。S1关断后其电压应力为Uhigh。注意在死区内，电感电流通过S2的体二极管续流，S2的体二极管是导通的。
[t1-t2]：S1已经关断，S2开通。由于先前S2的体二极管是导通的，因此S2两端的端电压为0。这时开通S2相当于把电流从S2的体二极管转移到S2上，开通过程中电流增大但端电压为0，S2为零电压开通。
[t2-t3]：S2要关断，S1暂未开通。这时关断S2相当于把电流从S2转移到S2的体二极管上。关断过程中电流减小但端电压为0，S2为零电压关断。注意在死区内，电感电流通过S2的体二极管续流，S2的体二极管是导通的。
[t3-t4]：S2已经关断，S2的二极管续流，S1开通。在S1开通前，其电压应力为Uhigh，S1开通时电压应力逐渐下降，流过S1的电流逐渐上升为电感电流，两者产生交叠，使S1产生较大的开通损耗。
从以上分析可以看到，S2工作在软开关状态，但开关管S1始终工作在硬开关状态。究其原因，S1在开通或关断过程中，其体二极管不存在续流过程，其电压应力必然存在过渡过程，流过S1的电流是电感电流且又始终为正，这就使得S1工作在硬开关状态。
那怎样使S1也工作在软开关状态呢？答案是减小电感量，使电感电流过零。
让我们来看电感电流过零之后，关键波形会发生什么变化，如图5所示。
图5 Boost升压模式下，小电感量条件下的关键波形
[t0-t1]：S1要关断，S2暂未开通，处于死区阶段。在S1关断前，流过S1的电流就是电感电流，在关断期间S1的电流下降，S1的电压应力上升，两者产生交叠，使S1产生关断损耗。S1关断后其电压应力为Uhigh。在死区内，电感电流通过S2的体二极管续流。
[t1-t2]：S1已经关断，S2开通。由于先前S2的体二极管是导通的，因此S2两端的端电压为0。这时开通S2相当于把电流从S2的体二极管转移到S2上，开通过程中电流增大但端电压为0，S2为零电压开通。
[t2-t3]：S2要关断，S1暂未开通。这时关断S2相当于把电流从S2转移到S2的体二极管上。关断过程中电流减小但端电压为0，S2为零电压关断。在死区内，电感电流通过S2的体二极管续流。
[t3-t4]：S2已经关断，S2的二极管续流，S1开通。在S1开通前，其电压应力为Uhigh，S1开通时电压应力逐渐下降，但流过S1的电流此时为负电流，两者并未产生交叠，使S1零电压开通。
通过上述分析可知，相较于大电感时S1的开通和关断皆为硬开关，减小电感量使电感电流过零后，S1实现了开通时的软开关。
双向Buck-Boost变换器工作在Buck模式时，S1和S2工作在软开关条件的推理方法与Boost模式基本是一样的，唯一的区别就是Buck模式下S1和S2的强管和弱管地位互换。有兴趣的小伙伴可以自行推导。
一些文章中也阐述了实现过零软开关的电感量和死区时间的计算方法，当然按照公式进行计算是完全可行的，但如果想要快速得到结果，还是应该通过搭建仿真模型迅速得到自己想要的过零条件下的电感量和死区时间。
实践证明，电感电流过零软开关是非常有效的，尤其是在减轻振铃现象和电磁干扰上，硬开关产生振铃现象极有可能使开关器件承受击穿风险，由此引发的电磁干扰会影响其他电路的正常工作，做过相关硬件设计的同学可能深有感受。
四、最后我想说一些题外话
近年来，期刊检索平台所能查到的中文期刊和外文期刊，都涌现出海量的非隔离DC-DC新型拓扑论文，这些论文往往号称所提出的拓扑具有高电压增益或宽电压增益、低电压电流应力、高效率等优势。然而，仔细对比多篇论文的行文结构你会发现，这些文章除了拓扑类型不同外，分析方式和方法几乎是一个模子刻出来的。文章首先提出自己的新拓扑，再绘制出升压或降压模式下的电流流向图，再使用通用的公式推导拓扑的增益、电压应力、电流应力和传递函数，然后在表格中列出其他文献中的一些拓扑类型并作比较（当然，所选择的用于比较的参考文献只选择性能不如自己所提拓扑的文献），最后再加上体现效率和损耗的图表。
为什么诸多研究者热衷于研究非隔离变换器的新拓扑呢？原因是：研究非隔离DC-DC变换器拓扑容易产出论文（刷论文）。在以往的科研评价体系之中，SCI论文数量就是一切，论文数量多就意味着职称提升速度快。所以，哪一研究方向能快速输出论文，那研究热点就在哪里。对于非隔离双向DC-DC变换器拓扑，将多种电路结构简单拼接组合，就能形成新拓扑。接着在新拓扑的基础上按照八股文的样式完成文章撰写，一篇论文就诞生了。打个比方，你面前有一堆石灰，第一天你向石灰中撒入一种溶液，观察现象并记录结果，而后发表了第一篇论文；第二天你向石灰中撒入另一种溶液，观察现象并记录结果，而后发表了第二篇论文；你向石灰中撒入n种溶液，你就可以发表n篇论文。
然而，我们需要反思的是，这些所谓的新拓扑，又有多少实用价值呢？
参考文献
[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M]. 5版. 北京：机械工业出版社, 2009.
[2] 陈世杰,顾亦磊,吕征宇.Buck电路的一种软开关实现方法[J].电力电子技术,2004(01):33-35.
[3] 顾亦磊,陈世杰,吕征宇,钱照明.单开关DC/DC变换器的一种软开关实现策略[J].中国电机工程学报,2004(11):132-135.
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