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M_c<M_b<M_d。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u_in给储能电容C₁充电，电感L₁两端电压为u_in-u_c1-u_o，电感电流i_L1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u_o，电感电流i_L2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u_in给储能电容C₁充电，电感L₁两端电压为u_in-u_c1-u_o，电感电流i_L1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u_in-u_o，电感电流i_L2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u_s1和u_s2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u_in的0.5倍，而开关管S₂承受的电压应力为输入电压u_in。

3.3 电流纹波

    在一个稳态工作周期内，设电感电流i_l1、i_l2的平均值分别为I_L1和I_L2，输出电流i_o的平均值为I_o。稳态工作时，一个开关周期T_s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，I_L1与I_L2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u_in=40 V，输出电压u_o=5 V，电感L₁=L₂=20 μH，电容C₁=500 μF，输出电容C_o=520 μF。图6(a)为输入u_in、输出电压u_o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u_s1与u_D1、u_D2均为输入电压u_in的1/2，而开关管S₂的电压应力u_s2为输入电压，有利于降低开关损耗。图6(c)为电感电流i_l1、i_l2及输出电流i_o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。

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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)