0 引言

    隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電子隨身產(chǎn)品如智能手機(jī)、筆記本電腦等對電源的性能要求也越來越高，總體趨勢是低電壓、大電流以及小紋波^[1-3]。基于此，國內(nèi)外針對對此類特殊電源進(jìn)行了大量研究。

    傳統(tǒng)buck變換器受電路參數(shù)的影響而電壓傳輸比較低，為提高變換器傳輸比，在傳統(tǒng)buck變換器的基礎(chǔ)上，通過簡單串聯(lián)可以得到級聯(lián)型buck變換器^[4]。該拓?fù)渚哂休斎胼敵鲎儽却蟮奶攸c。但由于采用級聯(lián)方式，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[5-7]對電路進(jìn)行改進(jìn)得到單管二次型buck變換器，其解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制電路設(shè)計較為困難且輸出紋波較大。文獻(xiàn)[8-11]對交錯并聯(lián)型buck變換器進(jìn)行了研究。由于采用并聯(lián)的方式，交錯并聯(lián)電路能輕松實現(xiàn)自動均流并降低輸出紋波的目的，但電路的輸出增益與傳統(tǒng)buck電路相同，且開關(guān)管與二極管的電壓應(yīng)力較高。

    綜上所述，本文在傳統(tǒng)級聯(lián)型buck變換器的基礎(chǔ)上，通過引入開關(guān)電容，從而得到一種新型交錯并聯(lián)型buck變換器。該變換器具有以下優(yōu)點：(1)采用交錯并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能起到自動均流的作用，有效減小了濾波電感；(2)降低了輸出電壓紋波；(3)在相同占空比的情況下，其電路的增益更高；(4)開關(guān)電容的引入減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

1 新型buck變換器的提出

    傳統(tǒng)buck變換器的拓?fù)潆娐房梢钥醋鲇砷_關(guān)管S、二極管VD、電感L組成的三端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1(a)所示。在支路中引入受控電壓源u1，可得到如圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)所示的高增益三端口網(wǎng)絡(luò)。

    定義占空比為D，由伏秒平衡原理可知，當(dāng)變換器工作于連續(xù)模式(CCM)時，圖1(a)~圖1(d)所示拓?fù)潆娐返碾妷涸鲆鎸?yīng)分別為：

    在參數(shù)相同的情況下，電壓增益M_c<M_b<M_d。在開關(guān)電壓應(yīng)力方面，輸入電壓相同時，圖1(b)、(d)所示三端口網(wǎng)絡(luò)由于電壓源u₁的引入，可以減小開關(guān)管與二極管的電壓應(yīng)力；圖1(c)所示模型對開關(guān)電壓應(yīng)力沒有影響。在變換器中，降低開關(guān)應(yīng)力有利于減小變換器的開關(guān)損耗。因此結(jié)合開關(guān)增益與電壓應(yīng)力兩方面因素，圖1(b)三端口網(wǎng)絡(luò)為更優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型。利用電容穩(wěn)壓代替受控源則可得到如圖2所示的新型交錯并聯(lián)型buck變換器拓?fù)潆娐贰?/p>

2 變換器工作原理

    在變換器工作原理分析過程中，做如下假設(shè)：(1)變換器始終工作在CCM模式下；(2)開關(guān)管與二極管均是理想器件；(3)儲能電容兩端的電壓恒定。

    在一個開關(guān)周期內(nèi)，新型buck變換器采用交錯控制策略。因此，當(dāng)開關(guān)管的占空比D>0.5和D<0.5時，變換器的工作狀態(tài)有所不同。

2.1 占空比D<0.5

    當(dāng)占空比D<0.5時，在一個連續(xù)開關(guān)周期內(nèi)，變換器有三種不同的工作狀態(tài)，如表1所示。變換器工作狀態(tài)1時的等效電路如圖3所示。

    以狀態(tài)1為例，當(dāng)開關(guān)管S₁開通、S₂關(guān)斷時，此時，二極管D₁兩端因承受反向電壓而截止，輸入電源u_in給儲能電容C₁充電，電感L₁兩端電壓為u_in-u_c1-u_o，電感電流i_L1線性上升，而二極管D₂承受正向電壓導(dǎo)通，電感L₂兩端電壓為輸出電壓u_o，電感電流i_L2線性下降，狀態(tài)2、3分析方法與上述分析相同，可得圖4所示變換器工作波形圖。

2.2 占空比D>0.5

    當(dāng)占空比D>0.5時，在一個開關(guān)周期內(nèi)，變換器有三種不同的工作狀態(tài)，如表2所示。

    因此，與占空比小于0.5時情況相比，存在開關(guān)管同時開通情況，此時等效電路如圖5所示。

    當(dāng)開關(guān)管S₁、S₂同時開通時，二極管D₁兩端因承受反向電壓而截止，輸入電源u_in給儲能電容C₁充電，電感L₁兩端電壓為u_in-u_c1-u_o，電感電流i_L1線性上升，二極管D₂也承受正向電壓截止，電感L₂兩端電壓為輸出電壓u_in-u_o，電感電流i_L2線性上升，狀態(tài)1、2分析方法與上述分析相同。

3 性能分析

    實際應(yīng)用中，buck變換器通常工作在占空比D<0.5的情況下，因此，性能分析主要考慮此情形。

3.1 電壓增益M

    當(dāng)占空比小于0.5時，在一個周期內(nèi)對電感L₁、電感L₂由伏秒平衡可得：

3.2 開關(guān)管與二極管電壓應(yīng)力

    開關(guān)管S₁與S₂的電壓應(yīng)力u_s1和u_s2分別為：

    因此，開關(guān)管S₁與二極管D₁、D₂的電壓應(yīng)力均為輸入電壓u_in的0.5倍，而開關(guān)管S₂承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓u_in。

3.3 電流紋波

    在一個穩(wěn)態(tài)工作周期內(nèi)，設(shè)電感電流i_l1、i_l2的平均值分別為I_L1和I_L2，輸出電流i_o的平均值為I_o。穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關(guān)周期T_s內(nèi)電容C₁的充電與放電電荷必然相等，因此當(dāng)開關(guān)S₁、S₂的工作占空比D相等時，I_L1與I_L2必然相等且電流互相交錯，可實現(xiàn)自動均流，即：

4 仿真驗證

    為驗證理論分析的正確性，對新型交錯并聯(lián)buck變換器電路進(jìn)行了仿真，仿真電路如圖2所示。其主要參數(shù)如下：輸入電壓u_in=40 V，輸出電壓u_o=5 V，電感L₁=L₂=20 μH，電容C₁=500 μF，輸出電容C_o=520 μF。圖6(a)為輸入u_in、輸出電壓u_o及開關(guān)管S₁、S₂的驅(qū)動信號波形圖，占空比D=0.25，電壓增益為傳統(tǒng)buck變換器的1/2。圖6(b)為開關(guān)管S₁、S₂的及二極管D₁、D₂的電壓應(yīng)力波形，由圖可以看出電壓應(yīng)力u_s1與u_D1、u_D2均為輸入電壓u_in的1/2，而開關(guān)管S₂的電壓應(yīng)力u_s2為輸入電壓，有利于降低開關(guān)損耗。圖6(c)為電感電流i_l1、i_l2及輸出電流i_o的波形，由圖可知，變換器能實現(xiàn)自動均流的作用，有利于變換器的散熱，同時輸出電流頻率為開關(guān)頻率的2倍，有利于減小輸出紋波。

5 結(jié)論

    本文通過分析buck變換器的三端口網(wǎng)絡(luò)模型，通過引入開關(guān)電容得到一種新型交錯并聯(lián)型buck變換器，分析了變換器在占空比D<0.5和D>0.5時的工作原理，并對D<0.5時變換器性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后進(jìn)行了仿真驗證。結(jié)合理論與仿真分析可知，新型變換器占空比D<0.5有如下優(yōu)點：(1)電壓增益為傳統(tǒng)buck或交錯buck變換器的0.5倍；(2)開關(guān)管與二極管電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，即為傳統(tǒng)buck變換器的一半；(3)變換器能自動均流，有利于散熱設(shè)計；(4)輸出電流紋波為傳統(tǒng)buck變換器的0.5(1-2D)/(1-D)倍，為傳統(tǒng)交錯buck變換器0.5倍，紋波更小且頻率為開關(guān)變換器2倍。

參考文獻(xiàn)

[1] Tiann JongChen，Yuh ShyanHwang，Jin HuaYu，et al.A Low-EMI Buck converter suitable for wireless sensor networks with spur-reduction techniques[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，16(8)：2588-2597.

[2] Wei ChungChen，Ching Sungwang，Yi Pingsu，et al.Reduction of equivalent series inductor effect in delay-ripple reshaped constant on-time control for buck converter with multilayer ceramic capacitors[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)：2366-2376.

[3] 劉樹林，劉健，宼蕾，等.Buck DC/DC變換器的輸出紋波電壓分析及應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(2)：91-97.

[4] 盧志飛.二次型開關(guān)DC-DC變換器研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[5] 盧志飛，楊平，劉雪山，等.單開關(guān)二次型DCM Buck變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(1)：65-70.

[6] 董政，王金平，楊平，等.恒定導(dǎo)通時間控制二次型Buck變換器分析[J].電力電子技術(shù)，2012，46(7)：31-33.

[7] 陸治國，田海濤，汪淵.一種新型的交錯并聯(lián)二次型buck變換器[J].電力電子技術(shù)，2014，48(2)：19-23.

[8] 陸治國，祝萬平，劉捷豐，等.一種新型交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(12)：39-45.

[9] 王蕊，楊玉崗，李娜.交錯并聯(lián)Buck變換器本質(zhì)安全的研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(7)：117-120.

[10] 楊玉崗，祁鱗，李龍華.交錯并聯(lián)磁集成Buck變換器本質(zhì)安全性輸出紋波電壓的分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29(6)：182-188.

[11] 王擎宇，龔仁喜，秦麗文.并聯(lián)Buck DC/DC變換器的分布式混雜建模與優(yōu)化控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36(5)：1136-1343.

作者信息：

陳顯東1，曹太強(qiáng)1，2，黎凡森1

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；2.流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室(西華大學(xué))，四川 成都610039)