李冬，張相軍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000）

1 引言

Buck 電路是最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，在一些如計(jì)算機(jī)、精密儀器等高性能的DC-DC 直流變換器中經(jīng)常使用。然而隨著變換器功率等級(jí)的提高，對(duì)于器件的要求越來越高，讓變換器并聯(lián)運(yùn)行，可以在不增加器件應(yīng)力的同時(shí)提高功率等級(jí)。在輸出大電流的場(chǎng)合，常常使用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，這樣開關(guān)管的電流僅僅是輸出電流的幾分之一，通過交錯(cuò)并聯(lián)可以減小輸出電流紋波和降低開關(guān)損耗，從而提高變換器效率[1]。

2 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)原理

交錯(cuò)并聯(lián)是并聯(lián)運(yùn)行方式的一種，M 通道的并聯(lián)交錯(cuò)是指各并聯(lián)通道的開關(guān)頻率相同，但是導(dǎo)通時(shí)刻依次錯(cuò)開1/M個(gè)開關(guān)周期。取兩通道并聯(lián)為例 分析，其并聯(lián)運(yùn)行可能有三種情況，如圖1所示：1）兩個(gè)通道同步觸發(fā)，則整個(gè)電路與單通道相似；2）兩個(gè)通道相互獨(dú)立觸發(fā)，并且觸發(fā)頻率不完全相同，則兩通道輸出電流紋波隨機(jī)相消或者疊加；3）兩個(gè)通道工作在相同的頻率下，各個(gè)通道的觸發(fā)控制信號(hào)彼此交錯(cuò)，此時(shí)輸出電流紋波相互抵消，大大減小，同時(shí)輸出紋波頻率也提高為單通道的2 倍[2]。

由上述分析可得，交錯(cuò)并聯(lián)系統(tǒng)是指并聯(lián)運(yùn)行的各通道的控制信號(hào)頻率相同，相位互相錯(cuò)開的并聯(lián)運(yùn)行模式。交錯(cuò)并聯(lián)系統(tǒng)不緊具有并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，由于提高了輸出電流紋波頻率，交錯(cuò)并聯(lián)系統(tǒng)還能夠降低對(duì)濾波電容以及磁性元件的要求，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。通過合理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輸出零紋波。

圖1 并聯(lián)運(yùn)行3 種情況 Fig.1 Three kinds condition of dual-channel parallel operation

3 交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的工作原理

交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)是一種減少輸出紋波的有效的方法，如圖2所示，主電路采用兩路Buck 電路交錯(cuò)?？刂剖沟肧1，S2的脈寬相等，導(dǎo)通時(shí)間相差半個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)兩路交錯(cuò)并聯(lián)。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)BUCK 原理圖 Fig.2 Diagram of interleaved buck

設(shè)各Buck支路開關(guān)周期為T，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，各通道開關(guān)頻率f1=1/T，占空比為D=Ton/T，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器開關(guān)頻率f=2f1。

根據(jù)流過電感電流是否下降為零，電路的工作模式可以分為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。為方便分析，假設(shè)兩路電感值相等，即L1=L2=L，且電感充放電是線性的，所有開關(guān)器件均為不考慮寄生參數(shù)影響的理想器件。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，CCM模式下電路的工作過程可分為4個(gè)階段，如圖3所示。下面以S1的一個(gè)任意導(dǎo)通時(shí)刻為起點(diǎn)，分析此后一個(gè)周期T內(nèi)的工作情況[3]。

圖3 交錯(cuò)并聯(lián)BUCK 工作在CCM 模式下4 個(gè)階段 Fig.3 Four stages of interleaved buck operating in CCM mode

第1階段，S1觸發(fā)開通，D2續(xù)流，S2、D1截止，L1儲(chǔ)存能量同時(shí)電流上升，C充電。

第2階段，S1，S2均截止，D1，D2續(xù)流，L1，L2的電流減小，C放電。

第3階段，S2觸發(fā)開通，D1續(xù)流，S1、D2截止，L2儲(chǔ)存能量同時(shí)電流上升，C充電。

第4階段，S1，S2均截止，D1，D2續(xù)流，L1，L2的電流減小，C放電。

上述分析為占空比不大于50%時(shí)的工作過程，此時(shí)變換器從第1～4 階段周期循環(huán)進(jìn)行。在每個(gè)開關(guān)周期中，2 個(gè)電感僅有一個(gè)電感處于儲(chǔ)能狀態(tài)，另一個(gè)處于續(xù)流狀態(tài)，說明各個(gè)通路的電流紋波頻率與單個(gè)Buck 變換器的工作頻率一樣，f=f1；但整個(gè)電路在一個(gè)開關(guān)周期中存在2個(gè)儲(chǔ)能以及2 個(gè)續(xù)流的狀態(tài)，即總輸出電流紋波頻率為各個(gè)支路開關(guān)頻率的2 倍，即2f1。

DCM 下交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路的工作過程可分為6 個(gè)階段，其中大部分工作過程相似，只是多了2 個(gè)階段，在階段中電感電流均為零，僅有C 放電的過程。

當(dāng)變換器的占空比大于50%，變換器的工作過程將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的情況，而不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)管都關(guān)斷。工作過程與上述大體類似。

在交錯(cuò)并聯(lián)電路中，由于兩個(gè)通道的電流相位不同，由前文中原理所示，紋波相互抵消，使得輸出電流io紋波減小，改善輸出瞬態(tài)響應(yīng)。在同等的輸出條件下，交錯(cuò)并聯(lián)電路能夠?qū)崿F(xiàn)兩路分流，使電感L1，L2以及主電路開關(guān)管上的電流應(yīng)力減小一半，降低了電路的導(dǎo)通損耗和電感以及輸出電容的容量。

兩路交錯(cuò)并聯(lián)還需要考慮兩路的均流問題，否則可能出現(xiàn)一路電流很大，一路電流較小，對(duì)器件的選擇和使用均不利。

4 Buck 變換器設(shè)計(jì)

舉例說明兩路交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)參數(shù)為，輸入電壓400 ～500 V，輸出最大功率15 kW，輸出電壓400 V，開關(guān)頻率5 kHz。

4.1 Buck 電感設(shè)計(jì)

電感電流紋波計(jì)算公式如式(1)，式(2)所示[4]。

由式1 可以得到電感計(jì)算公式，如式(3)所示。

對(duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）：1）電感電流紋波系數(shù)的優(yōu)化為0.3～0.4，紋波系數(shù)越小，電感值越大；2）電感電流平均值等于輸出電流平均值的一半（由于兩路并聯(lián)，故電流為輸出的一半）：18.75 A（15 kW/（2×400）V），ΔⅠ=7.5 A；3）輸入電壓最大值500 V，buck 變換器的最惡劣情況[4]。

按照這些條件計(jì)算，buck 電感：

電流容量：

臨界導(dǎo)通模式CRM、BCM：對(duì)于臨界導(dǎo)通模式而言，電流紋波率r等于2，ΔⅠ=37.5 A：

電流容量：

4.2 Buck 輸出電容設(shè)計(jì)

Buck 工作模式下，為了滿足紋波電壓要求需要滿足式(4)所示關(guān)系。

電容值與所選電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，可以得出當(dāng)電感值處于0.426～2.134 mH 范圍時(shí)，CO≥ 94μF 即可滿足紋波電壓低于10 V 的要求，實(shí)際可選CO=100 μF。

表1 電容值與所選電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系 Tab.1 Relationship between capacitor and inductor

5 實(shí)驗(yàn)仿真分析

采用PSIM 仿真軟件，以UC3842 作為控制芯片，電流采樣采用直流霍爾器件。電感和輸出濾波電容采用前一節(jié)中計(jì)算值進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖4所示。

其中兩路Buck 通外部時(shí)鐘如圖5所示，相角相差180°，實(shí)現(xiàn)兩路交錯(cuò)并聯(lián)。

輸出電壓波形如圖6所示，可以看到輸出電壓在400 V 到401 V 之間，紋波非常的小。

電感電流波形和輸出電流波形如圖7所示。

圖4 仿真電路原理圖 Fig.4 Simulation circuit schematics

圖5 兩通道交錯(cuò)觸發(fā)外部時(shí)鐘 Fig.5 The clock of two-channel interleaved trigger

其中i1，i2分別是兩個(gè)通道的電感電流，i3為輸出電流，可以看出，這與第一節(jié)中分析的交錯(cuò)觸發(fā)方式結(jié)論相同，紋波減小了，紋波頻率提高了。

圖6 輸出電壓波形 Fig.6 Output voltage waveform

圖7 兩路電感電流和輸出電流 Fig.7 Inductor current and output current

6 結(jié)論

交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)大大減小了流過每一個(gè)通道的電流，降低了開關(guān)損耗和輸出總電流紋波，電感和電容取值的減小使得電路體積變小，功率密度變大。本文分析了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的原理，以及變換器的工作過程，并設(shè)計(jì)了變換器參數(shù)，最后通過仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

[1] 束林，陳宗祥，劉雁飛，等.基于交錯(cuò)并聯(lián) Buck 變換器新型驅(qū)動(dòng)電路的研究[J].電力電子技術(shù)，2010（4）：36-37.

[2] 王正國，羅乾超，刁元均.DC/DC 變換器交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù)，2006，(5)：1.

[3] 王蕊，楊玉崗，李娜.交錯(cuò)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.

[4] Maniktala S，王志強(qiáng).精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.