文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.038
中文引用格式: 陳顯東,,曹太強,黎凡森. 一種新型交錯并聯(lián)型buck變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)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
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,、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],?;诖耍瑖鴥?nèi)外針對對此類特殊電源進行了大量研究,。
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],。該拓撲具有輸入輸出變比大的特點。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[5-7]對電路進行改進得到單管二次型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[8-11]對交錯并聯(lián)型buck變換器進行了研究,。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)型拓撲結(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變換器的拓撲電路可以看做由開關(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)所示拓撲電路的電壓增益對應(yīng)分別為:
在參數(shù)相同的情況下,,電壓增益Mc<Mb<Md,。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變換器拓撲電路,。
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uin給儲能電容C1充電,電感L1兩端電壓為uin-uc1-uo,,電感電流iL1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uo,電感電流iL2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uin給儲能電容C1充電,,電感L1兩端電壓為uin-uc1-uo,,電感電流iL1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uin-uo,,電感電流iL2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us1和us2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uin的0.5倍,,而開關(guān)管S2承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓uin,。
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il1、il2的平均值分別為IL1和IL2,,輸出電流io的平均值為Io,。穩(wěn)態(tài)工作時,一個開關(guān)周期Ts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,,IL1與IL2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uin=40 V,,輸出電壓uo=5 V,電感L1=L2=20 μH,,電容C1=500 μF,,輸出電容Co=520 μF。圖6(a)為輸入uin,、輸出電壓uo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us1與uD1、uD2均為輸入電壓uin的1/2,,而開關(guān)管S2的電壓應(yīng)力us2為輸入電壓,,有利于降低開關(guān)損耗。圖6(c)為電感電流il1,、il2及輸出電流io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時變換器性能進行了詳細的分析,,最后進行了仿真驗證。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,。
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作者信息:
陳顯東1,,曹太強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.流體及動力機械教育部重點實驗室(西華大學(xué)),,四川 成都610039)