文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.038
中文引用格式: 陳顯東,,曹太強(qiáng),黎凡森. 一種新型交錯(cuò)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(jī),、筆記本電腦等對(duì)電源的性能要求也越來(lái)越高,,總體趨勢(shì)是低電壓、大電流以及小紋波[1-3],?;诖耍瑖?guó)內(nèi)外針對(duì)對(duì)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(guò)簡(jiǎn)單串聯(lián)可以得到級(jí)聯(lián)型buck變換器[4],。該拓?fù)渚哂休斎胼敵鲎儽却蟮奶攸c(diǎn)。但由于采用級(jí)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(duì)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(wèn)題,,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制電路設(shè)計(jì)較為困難且輸出紋波較大,。文獻(xiàn)[8-11]對(duì)交錯(cuò)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(cuò)并聯(lián)電路能輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(kāi)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(jí)聯(lián)型buck變換器的基礎(chǔ)上,,通過(guò)引入開(kāi)關(guān)電容,從而得到一種新型交錯(cuò)并聯(lián)型buck變換器,。該變換器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)采用交錯(cuò)并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能起到自動(dòng)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(kāi)關(guān)電容的引入減小了開(kāi)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_(kāi)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(shí),,圖1(a)~圖1(d)所示拓?fù)潆娐返碾妷涸鲆鎸?duì)應(yīng)分別為:
在參數(shù)相同的情況下,電壓增益Mc<Mb<Md,。在開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力方面,,輸入電壓相同時(shí),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(kāi)關(guān)管與二極管的電壓應(yīng)力;圖1(c)所示模型對(duì)開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力沒(méi)有影響,。在變換器中,,降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力有利于減小變換器的開(kāi)關(guān)損耗。因此結(jié)合開(kāi)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(cuò)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(guò)程中,做如下假設(shè):(1)變換器始終工作在CCM模式下,;(2)開(kāi)關(guān)管與二極管均是理想器件,;(3)儲(chǔ)能電容兩端的電壓恒定。
在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),,新型buck變換器采用交錯(cuò)控制策略,。因此,,當(dāng)開(kāi)關(guān)管的占空比D>0.5和D<0.5時(shí),,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(shí),,在一個(gè)連續(xù)開(kāi)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(shí)的等效電路如圖3所示,。
以狀態(tài)1為例,當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通,、S2關(guān)斷時(shí),,此時(shí),,二極管D1兩端因承受反向電壓而截止,輸入電源uin給儲(chǔ)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(shí),,在一個(gè)開(kāi)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(shí)情況相比,存在開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通情況,,此時(shí)等效電路如圖5所示,。
當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1、S2同時(shí)開(kāi)通時(shí),,二極管D1兩端因承受反向電壓而截止,,輸入電源uin給儲(chǔ)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(shí)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(shí),在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電感L1,、電感L2由伏秒平衡可得:
3.2 開(kāi)關(guān)管與二極管電壓應(yīng)力
開(kāi)關(guān)管S1與S2的電壓應(yīng)力us1和us2分別為:
因此,,開(kāi)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(kāi)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(gè)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(shí),一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)S1,、S2的工作占空比D相等時(shí),IL1與IL2必然相等且電流互相交錯(cuò),,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流,,即:
4 仿真驗(yàn)證
為驗(yàn)證理論分析的正確性,對(duì)新型交錯(cuò)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(kāi)關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(kāi)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(kāi)關(guān)管S2的電壓應(yīng)力us2為輸入電壓,有利于降低開(kāi)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流的作用,,有利于變換器的散熱,同時(shí)輸出電流頻率為開(kāi)關(guān)頻率的2倍,,有利于減小輸出紋波。
5 結(jié)論
本文通過(guò)分析buck變換器的三端口網(wǎng)絡(luò)模型,,通過(guò)引入開(kāi)關(guān)電容得到一種新型交錯(cuò)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(shí)的工作原理,,并對(duì)D<0.5時(shí)變換器性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)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(diǎn):(1)電壓增益為傳統(tǒng)buck或交錯(cuò)buck變換器的0.5倍;(2)開(kāi)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(dòng)均流,有利于散熱設(shè)計(jì),;(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(cuò)buck變換器0.5倍,紋波更小且頻率為開(kāi)關(guān)變換器2倍,。
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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(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西華大學(xué)),,四川 成都610039)