【论文精选】一种新型交错并联型buck变换器

摘要: 陈显东1,曹太强1,2,黎凡森1(1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;2.流体及动力机

陈显东1,曹太强1,2,黎凡森1

(1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;2.流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学),四川 成都610039)

摘  要: 通过传统buck变换器的三端口网络模型中引入一个开关电容,得到了一种新型带开关电容交错并联buck变换器。通过对新型变换器进行理论分析可知,与传统buck变换器相比,当占空比D<0.5时,新型变换器不仅输出电流纹波减小,且在相同占空比下实现了更高的电压增益;同时开关管的电压应力减小,其电流应力均为输出电流的一半,有利于器件的选择和散热。因此新型变换器非常适合于低输出电压、大电流的场合及输入、输出电压相差较大的系统。最后通过仿真验证了理论分析正确性。

关键词: buck变换器;交错并联;三端口

中图分类号: TM46

文献标识码: A

DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.038

中文引用格式: 陈显东,曹太强,黎凡森. 一种新型交错并联型buck变换器[J].电子技术应用,2017,43(7):153-156.

英文引用格式: Chen Xiandong,Cao Taiqiang,Li Fansen. A novel interleaved buck converter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):153-156.

0 引言

随着信息技术的迅速发展,电子随身产品如智能手机、笔记本电脑等对电源的性能要求也越来越高,总体趋势是低电压、大电流以及小纹波[1-3]。基于此,国内外针对对此类特殊电源进行了大量研究。

传统buck变换器受电路参数的影响而电压传输比较低,为提高变换器传输比,在传统buck变换器的基础上,通过简单串联可以得到级联型buck变换器[4]。该拓扑具有输入输出变比大的特点。但由于采用级联方式,系统稳定性较差。在此基础上,文献[5-7]对电路进行改进得到单管二次型buck变换器,其解决了系统稳定性问题,但电路结构复杂,控制电路设计较为困难且输出纹波较大。文献[8-11]对交错并联型buck变换器进行了研究。由于采用并联的方式,交错并联电路能轻松实现自动均流并降低输出纹波的目的,但电路的输出增益与传统buck电路相同,且开关管与二极管的电压应力较高。

综上所述,本文在传统级联型buck变换器的基础上,通过引入开关电容,从而得到一种新型交错并联型buck变换器。该变换器具有以下优点:(1)采用交错并联型拓扑结构能起到自动均流的作用,有效减小了滤波电感;(2)降低了输出电压纹波;(3)在相同占空比的情况下,其电路的增益更高;(4)开关电容的引入减小了开关管的电压应力。

1 新型buck变换器的提出

传统buck变换器的拓扑电路可以看做由开关管S、二极管VD、电感L组成的三端口网络,如图1(a)所示。在支路中引入受控电压源u1,可得到如图1(b)、图1(c)、图1(d)所示的高增益三端口网络。

       

定义占空比为D,由伏秒平衡原理可知,当变换器工作于连续模式(CCM)时,图1(a)~图1(d)所示拓扑电路的电压增益对应分别为:

    

在参数相同的情况下,电压增益Mc<Mb<Md。在开关电压应力方面,输入电压相同时,图1(b)、(d)所示三端口网络由于电压源u1的引入,可以减小开关管与二极管的电压应力;图1(c)所示模型对开关电压应力没有影响。在变换器中,降低开关应力有利于减小变换器的开关损耗。因此结合开关增益与电压应力两方面因素,图1(b)三端口网络为更优网络模型。利用电容稳压代替受控源则可得到如图2所示的新型交错并联型buck变换器拓扑电路。

2 变换器工作原理

在变换器工作原理分析过程中,做如下假设:(1)变换器始终工作在CCM模式下;(2)开关管与二极管均是理想器件;(3)储能电容两端的电压恒定。

在一个开关周期内,新型buck变换器采用交错控制策略。因此,当开关管的占空比D>0.5和D<0.5时,变换器的工作状态有所不同。

2.1 占空比D<0.5

当占空比D<0.5时,在一个连续开关周期内,变换器有三种不同的工作状态,如表1所示。变换器工作状态1时的等效电路如图3所示。

以状态1为例,当开关管S1开通、S2关断时,此时,二极管D1两端因承受反向电压而截止,输入电源uin给储能电容C1充电,电感L1两端电压为uin-uc1-uo,电感电流iL1线性上升,而二极管D2承受正向电压导通,电感L2两端电压为输出电压uo,电感电流iL2线性下降,状态2、3分析方法与上述分析相同,可得图4所示变换器工作波形图。

2.2 占空比D>0.5

当占空比D>0.5时,在一个开关周期内,变换器有三种不同的工作状态,如表2所示。

因此,与占空比小于0.5时情况相比,存在开关管同时开通情况,此时等效电路如图5所示。

当开关管S1、S2同时开通时,二极管D1两端因承受反向电压而截止,输入电源uin给储能电容C1充电,电感L1两端电压为uin-uc1-uo,电感电流iL1线性上升,二极管D2也承受正向电压截止,电感L2两端电压为输出电压uin-uo,电感电流iL2线性上升,状态1、2分析方法与上述分析相同。

3 性能分析

实际应用中,buck变换器通常工作在占空比D<0.5的情况下,因此,性能分析主要考虑此情形。

3.1 电压增益M

当占空比小于0.5时,在一个周期内对电感L1、电感L2由伏秒平衡可得:

    

3.2 开关管与二极管电压应力

开关管S1与S2的电压应力us1和us2分别为:

    因此,开关管S1与二极管D1、D2的电压应力均为输入电压uin的0.5倍,而开关管S2承受的电压应力为输入电压uin

3.3 电流纹波

在一个稳态工作周期内,设电感电流il1、il2的平均值分别为IL1和IL2,输出电流io的平均值为Io。稳态工作时,一个开关周期Ts内电容C1的充电与放电电荷必然相等,因此当开关S1、S2的工作占空比D相等时,IL1与IL2必然相等且电流互相交错,可实现自动均流,即:

4 仿真验证

为验证理论分析的正确性,对新型交错并联buck变换器电路进行了仿真,仿真电路如图2所示。其主要参数如下:输入电压uin=40 V,输出电压uo=5 V,电感L1=L2=20 μH,电容C1=500 μF,输出电容Co=520 μF。图6(a)为输入uin、输出电压uo及开关管S1、S2的驱动信号波形图,占空比D=0.25,电压增益为传统buck变换器的1/2。图6(b)为开关管S1、S2的及二极管D1、D2的电压应力波形,由图可以看出电压应力us1与uD1、uD2均为输入电压uin的1/2,而开关管S2的电压应力us2为输入电压,有利于降低开关损耗。图6(c)为电感电流il1、il2及输出电流io的波形,由图可知,变换器能实现自动均流的作用,有利于变换器的散热,同时输出电流频率为开关频率的2倍,有利于减小输出纹波。

5 结论

本文通过分析buck变换器的三端口网络模型,通过引入开关电容得到一种新型交错并联型buck变换器,分析了变换器在占空比D<0.5和D>0.5时的工作原理,并对D<0.5时变换器性能进行了详细的分析,最后进行了仿真验证。结合理论与仿真分析可知,新型变换器占空比D<0.5有如下优点:(1)电压增益为传统buck或交错buck变换器的0.5倍;(2)开关管与二极管电压应力为输入电压的一半,即为传统buck变换器的一半;(3)变换器能自动均流,有利于散热设计;(4)输出电流纹波为传统buck变换器的0.5(1-2D)/(1-D)倍,为传统交错buck变换器0.5倍,纹波更小且频率为开关变换器2倍。

参考文献

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