《电子技术应用》

一种新型交错并联型buck变换器

2017年电子技术应用第7期
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。
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.

A novel interleaved buck converter

Chen Xiandong1,Cao Taiqiang1,2,Li Fansen1
(1.School of Electric Information,Xihua University,Chengdu 610039,China; 2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery(Xihua University),Ministry of Education,Chengdu 610039,China)
Abstract: Based on the three-teminal network of traditional buck converter ,the high step-up buck converter is proposed in this paper. The operation principle and property of the converter are analyzed in detail.Through theoretical analysis of the new converter, when the duty D<0.5,the ripple of the output is reduced, and the voltage gain is higher in the same duty while compared with the traditional buck converter.At the same time, the voltage stress of the switches are reduced, which current stress is half of the output current, it is conducive to the selection of the devices and the heat sinks.Therefore, the new converter is very suitable for the low voltage and high current conditions and the system which has a large input and output.Finally, the simulation is built to verify the theoretical analysis.

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。

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    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:

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    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。

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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。

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    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。

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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。

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    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。

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    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:

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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:

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    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:

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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。

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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。

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作者信息:

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)

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