4-Switch Buck-Boost 四开关升降压变换器

单 Buck 与单 Boost 各有方向约束 — 都需要 Vin 与 Vout 大小关系固定,EV / 电池场景 Vin 跨度大用不了:

• Buck: 只能 Vin > Vout
• Boost: 只能 Vin < Vout
• 实际应用 Vin 经常跨越 Vout——
  • 太阳能板:温度变化 → Vmp 25-45V,Vout 固定 36V
  • 电池:充电时 Vbat 12-16.8V,LDO 输出固定 14V
  • 双向充电:Vbat 350-750V vs. grid 400V
  • USB-PD:5V/9V/15V/20V/28V/36V/48V 可选

经典 2-管 Buck-Boost (Q1 + 二极管 + L + C)输出电压反相 (Vin → -Vout):

• 单端反相不能给标准接地负载供电
• 需要电平转换 / 隔离
• 应力大 (二极管 + Q1 都承受 Vin+Vout)

用 4 个开关 + 1 个电感 把"Buck 的左半电路" + "Boost 的右半电路" 合并:

• 左侧:Q1 (高侧) + Q2 (低侧) → 像 Buck
• 右侧:Q3 (低侧) + Q4 (高侧) → 像 Boost
• 中间:1 个电感 L

结果:输入和输出同极性同地,任意 Vin/Vout 关系都能稳压。

Buck 模式下 Q3/Q4 退化成"短路 + 开路",仅 Q1/Q2 PWM,效率最高:

• Q4 持续 ON → 电感右端直接接 Vout
• Q3 持续 OFF
• Q1+Q2 像同步 Buck 一样 PWM:Q1 ON 时电感储能,Q1 OFF + Q2 ON 时电感释能
• 输出方程:$Vout=Dbuck\cdot Vin$

Boost 模式 Q1/Q2 退化成"短路 + 开路",仅 Q3/Q4 PWM,与 Buck 模式严格对称:

• Q1 持续 ON → 电感左端直接接 Vin
• Q2 持续 OFF
• Q3+Q4 像同步 Boost 一样 PWM:Q3 ON 时电感储能 (右端接地),Q3 OFF + Q4 ON 时电感释能给输出
• 输出方程:$Vout=\frac{Vin}{1-Dboost}$

Vin ≈ Vout 时,如果只用单纯 Buck 或单纯 Boost 都会出现 D → 1 (理论 D=1 不可达,有 min/max 占空比限制)。

解决:4 管同时 PWM,两个占空比同时调:

• $Vout=\frac{Dbuck}{1-Dboost}\cdot Vin$
• 控制器需要协调两个占空比

问题:

• 4 管同时切换 → 开关损耗倍增 → 效率掉 4%
• 4 管时序复杂 → 控制更难

两种过渡策略:

V2G 能量双向流动:

• 充电 (Vbat 升):Grid (400V) → Bat (350-750V),既要 Buck (Vbat 低) 又要 Boost (Vbat 高)
• 放电 (V2G):Bat → Grid,同样跨越

4SBB 是 V2G 主流拓扑——SiC 实现 800V 平台 + 96%+ 效率。

PV 板温度变化 → Vmp 25-45V,而充电池电压固定 36V/48V → 跨越关系 → 4SBB 解决。

USB-PD 输出可选 5V/9V/15V/20V/28V → 输入(Buck DC bus)固定 20-24V → 9V 时是 Buck,28V 时是 Boost,需要 4SBB。

48V mild hybrid 系统:Vbat 36-54V,12V 系统不变 → 12V→48V Boost + 48V→12V Buck 互逆 → 一个 4SBB 双向。

笔电电池 (4 cell Li-ion 14-16.8V) ↔ 充电器 USB-PD 输出 (5V/9V/15V/20V),跨越关系 → 4SBB。