張欣欣，張東青，王 哲，馬榮波，張文雄

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，開關(guān)電源的創(chuàng)新愈加迅速。開關(guān)電源發(fā)展的大體趨勢(shì)是低壓大電流。開關(guān)電源主要以 MOSFET、IGBT、SIC、GaN 等[1]作為開關(guān)器件，高頻化是其發(fā)展的方向。高頻化最重要的優(yōu)點(diǎn)是大大減小了電感電容的體積，從而減小了整體體積，提高了整體的功率密度。就降壓電路Buck 而言，傳統(tǒng)Buck 電路輸出電壓紋波較大、功率密度低。為解決這些弊端，提出交錯(cuò)并聯(lián)式Buck，有效減小了輸出電壓紋波，提高了功率密度，降低了開關(guān)器件的應(yīng)力要求，為Buck 在大電流場(chǎng)合工作提供了新的應(yīng)用思路。

1 交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的簡(jiǎn)單介紹

文中僅以占空比不大于50%的連續(xù)情況下的工作過程為例進(jìn)行介紹。電感電流連續(xù)時(shí)有4種工作狀態(tài)[2]，如圖1 所示。

圖1 連續(xù)模式下的4 種工作狀態(tài)

電路中，由于兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，此時(shí)兩路電感一路充電、一路放電。帶同樣大小負(fù)載時(shí)，使得流過電感L1、L2以及主電路開關(guān)管上的電流減小為原來的一半，降低了開關(guān)管的通態(tài)損耗、電感以及輸出電容的容量。

圖2 為交錯(cuò)Buck 正常工作時(shí)的具體過程分析的電路圖。0 ＜D＜0.5 時(shí)的主要工作波形圖，如圖3 所示。

圖2 具體工作過程分析

圖3 0 ＜D ＜0.5 時(shí)的主要工作波形圖

假設(shè)當(dāng)L1處于儲(chǔ)能狀態(tài)、L2處于放能狀態(tài)時(shí)，有：

所以，兩路紋波電流分別為：

此時(shí)，總的輸出電流紋波為：

f表示頻率?？芍?，輸出電流紋波要比傳統(tǒng)Buck變換器紋波要小。交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路還可以降低輸出端電容電流的有效值。如圖4 所示，在傳統(tǒng)Buck 電路與交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路拓?fù)渲校敵鲭娙蓦娏饔行е蹬c占空比的關(guān)系分別為[3]：

圖4 輸出電容電流有效值與占空比的函數(shù)關(guān)系

圖4 為Buck 電路與交錯(cuò)Buck 電路輸出端電容電流與占空比的關(guān)系。由圖4 可知，交錯(cuò)并聯(lián)Buck 拓?fù)渑c傳統(tǒng)降壓型Buck 拓?fù)湎啾?，電容電流脈動(dòng)最大值減小了一半左右，這在圖3 電容電流的波形圖里也有所體現(xiàn)。在交錯(cuò)并聯(lián)Buck 拓?fù)渲?，流過交錯(cuò)Buck 的電感電流為總輸入電流的一半。Buck 電路與交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路儲(chǔ)存的能量可以表示為：

比較分析可以得出，交錯(cuò)并聯(lián)Buck 的一個(gè)電感儲(chǔ)能是Buck 中電感儲(chǔ)能的一半[4]。對(duì)于輸出電壓紋波，由于所以：

對(duì)于交錯(cuò)并聯(lián)Buck 而言，假設(shè)電感L1儲(chǔ)能、L2放能時(shí)總輸出電流紋波為式（12），L1放能與L2儲(chǔ)能結(jié)果與以上結(jié)果相同，當(dāng)兩個(gè)電感都處于放能階段時(shí)，有：

由式（11），可得：

由于電路輸出頻率變?yōu)閭鹘y(tǒng)Buck 電路2 倍，推導(dǎo)可得[5]：

由于0 ＜D＜0.5，因此由式（10）與式（14）可知，輸出電壓紋波變小。由于輸出電流紋波頻率提高，因此交錯(cuò)并聯(lián)Buck 還降低了對(duì)濾波電容和電感的要求，進(jìn)而提高了整體的功率密度。

2 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)理論性分析，對(duì)Buck 電路和交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路分別用Simulink 進(jìn)行仿真對(duì)比。交錯(cuò)Buck電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)為：輸入電壓UIN=12 V，輸出電壓Uo=5 V，電感L=1 mH，輸出端電容C=1 000 μF，輸出電阻R=1 Ω，此時(shí)負(fù)載為5 A，開關(guān)管使用mosfet，最大步長(zhǎng)為1e-6，仿真時(shí)間均設(shè)置為0.5 s，做成PI 閉環(huán)仿真。

圖5 Buck 仿真電路

圖5 為Buck 電路仿真圖形，圖6 為交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路仿真圖形。

圖7 為在設(shè)定參數(shù)下Buck 電路輸出電壓波形。由圖7 可知，Buck 紋波范圍大概是4.98～5.005 V，一個(gè)周期內(nèi)峰值與幅值相差20 mV 左右。

圖6 交錯(cuò)并聯(lián)Buck

圖7 Buck 輸出電壓紋波

圖8 為在設(shè)定參數(shù)下交錯(cuò)Buck 電路輸出電壓波形。由圖8 可知，交錯(cuò)Buck 紋波范圍是4.998～5.002 V，一個(gè)周期內(nèi)峰值與幅值相差10 mV 左右。

圖8 交錯(cuò)Buck 輸出電壓紋波

圖9 為在設(shè)定參數(shù)下Buck 電路輸出電流波形，Buck 電路輸出電流紋波范圍為4.8～5.2 A，一個(gè)周期內(nèi)峰值與幅值相差0.4 A 左右。

圖9 Buck 電路輸出電流紋波

交錯(cuò)Buck 輸出電流紋波范圍為4.95～5.05 A，一個(gè)周期內(nèi)峰值與幅值相差0.1 A 左右。

對(duì)比圖7 與圖8 可知，發(fā)現(xiàn)和理論分析相符，交錯(cuò)Buck 電壓輸出紋波小于Buck 電壓輸出紋波。對(duì)比圖9 與圖10 可以發(fā)現(xiàn)，交錯(cuò)Buck 輸出電流紋波小于傳統(tǒng)Buck 電路輸出電流紋波，與理論分析時(shí)由于兩路電感工作方式不同導(dǎo)致紋波抵消的結(jié)論相符。由圖10可以看出，輸出電流有效值為5 A，而流過兩個(gè)開關(guān)管電流大致為2.5 A，證明了交錯(cuò)Buck 電路減小了開關(guān)管的電流應(yīng)力。

圖10 交錯(cuò)并聯(lián)Buck 輸出電流紋波

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖11 為Buck 電路實(shí)物圖，圖12 為交錯(cuò)Buck 電路實(shí)物圖。

圖11 Buck 電路實(shí)物圖

圖12 交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路實(shí)物圖

圖13 所得紋波是在交流耦合條件下測(cè)得的，此時(shí)每個(gè)格20 mV，紋波波動(dòng)范圍為-20～10 mV，峰峰值為30 mV。

圖14 所得紋波是在交流耦合條件下測(cè)得的，此時(shí)每個(gè)格為100 mV，紋波波動(dòng)范圍為-100～100 mV，峰峰值為200 mV。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，以SG3525 為控制芯片，開關(guān)管選擇Mosfet75n75，開關(guān)頻率均設(shè)為62.6 kHz，分別制作了Buck 電路和交錯(cuò)Buck 電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在輸入電壓為12 V、輸出電壓5 V 時(shí)，用示波器測(cè)定兩種拓?fù)漭敵鲭妷杭y波，發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)Buck 的輸出電壓紋波小于傳統(tǒng)Buck 電路。可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真及理論分析一致，驗(yàn)證了交錯(cuò)Buck 的優(yōu)點(diǎn)。

圖13 交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路輸出電壓紋波

圖14 Buck 電路輸出電壓紋波

4 結(jié) 論

將交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路與傳統(tǒng)Buck 電路在占空比0 ＜D＜0.5 的工作情況下進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)Buck 電路輸出電壓紋波和電流紋波都減小了，流過開關(guān)管的電流也減小了，進(jìn)而減小了開關(guān)管電流應(yīng)力，使輸出電壓紋波和電流紋波更小，功率密度變大，也更適合在大電流條件下工作。