耦合電感在交錯(cuò)并聯(lián)斷續(xù)Buck變換器中的應(yīng)用研究

盧 迪，姚國順，李陸軍，3，陳 輝

（1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì)，湖北 武漢430019；2.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢430019；3.93975部隊(duì)，新疆 烏魯木齊830000）

0 引 言

Buck變換器是一種最基本的變換器，廣泛應(yīng)用于動(dòng)車組、火車等的輔助電源系統(tǒng)中。這些應(yīng)用場(chǎng)合通常存在高功率、大電流的特點(diǎn)，應(yīng)用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)可以減小輸入電流紋波，降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率。

雖然Buck變換器通過交錯(cuò)并聯(lián)可以降低開關(guān)損耗，但變換器仍然工作在硬開關(guān)狀態(tài)，存在較嚴(yán)重的二極管反向恢復(fù)問題，導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加和較嚴(yán)重的EMI問題。對(duì)于單路，目前抑制Buck變換器續(xù)流二極管反向恢復(fù)的方法有兩種：一種是選擇使用碳化硅（Si C），另一種是電路采用斷續(xù)（DCM）工作模式。但在目前技術(shù)條件下，碳化硅二極管功率級(jí)比較低（IM≤20 A），不利于功率變換器的提升。DCM工作模式下，輸出濾波電容值太大，同功率條件下，開關(guān)器件的電流應(yīng)力過大。

綜合上述問題，本文提出采取Buck變換兩路交錯(cuò)并聯(lián)方式，兩路變換器通過耦合電感并聯(lián)輸出，單路電感的電流工作在DCM狀態(tài)，這樣既克服了續(xù)流二極管的反向恢復(fù)問題，又可以擴(kuò)大功率范圍，降低輸出電壓紋波。

本文介紹的交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器占空比小于0.5。文中分析了電路工作原理，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析的正確性。

1 工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1給出了交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器主電路圖，L1和L2為耦合電感，M為耦合系數(shù)。

圖1 帶耦合電感的兩路交錯(cuò)式Buck變換器

1.2 工作原理

變換器工作在斷續(xù)模式比較復(fù)雜，不能一一分析。為便于分析設(shè)計(jì)，以臨界狀態(tài)Buck變換器為例，說明耦合電感在Buck變換器中的工作原理。

（1）t0～t1階段

VT1導(dǎo)通，電感L1電流上升，VT2關(guān)斷，電感L2經(jīng)VD2續(xù)流。如圖2（a）所示。根據(jù)電路原理，可得出如下公式：

由式（1）可得t0～t1階段的等效電感：

（2）t1～t2和t3～t4階段

VT1和VT2關(guān)斷，L1、L2處于續(xù)流階段。如圖2（b）、（d）所示。

由式（3）可得t1～t2和t3～t4階段的等效電感：

（3）t2～t3階段

VT1關(guān)斷，電感L1續(xù)流，VT2開通，電感L1電流上升。如圖2（c）所示。

由式（5）可得t2～t3階段的等效電感：

2 性能分析

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器各階段工作狀態(tài)

圖3 耦合電感電流波形

本文只對(duì)D＜0.5下的交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器（工作在臨界狀態(tài)）進(jìn)行了仿真，從圖3可以看出，穩(wěn)態(tài)電流紋波是由等效電感Leq1決定的，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)M＞0時(shí)，總存在Leq1＜L，這造成了很大的電流紋波；而當(dāng)M＜0時(shí)，總存在Leq1＞L，穩(wěn)態(tài)電流紋波減小。根據(jù)Leq1＞L的條件，結(jié)合等式（2）可推出：

文獻(xiàn)［1］指出Leq2為瞬態(tài)等效電感 ，為取得快速的瞬態(tài)響應(yīng)，Leq2應(yīng)該小一些。由等式（4）可以看出，只有在M＜0時(shí)，Leq2＜L。

上述分析可知，對(duì)于交錯(cuò)通道之間的耦合電感，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能是由不同的耦合電感決定的，通過調(diào)整對(duì)應(yīng)的耦合電感可以改善穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）磁芯設(shè)計(jì)

利用中柱氣息大小改變耦合系數(shù)的耦合電感的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 耦合電感結(jié)構(gòu)

耦合電感的磁路模型如圖5所示。

圖5 耦合電感磁路模型

R1、R2為鐵芯兩外柱的磁阻，R1＝R2＝R，RC為中柱磁阻，N1、N2為繞組匝數(shù)，N1＝N2＝N。

對(duì)于鐵氧體磁芯，大部分阻值在氣隙中，通過調(diào)整氣隙大小或者密度，改變外柱、中柱的磁阻，得到合適的電感值和耦合系數(shù)。

（2）電感設(shè)計(jì)

根據(jù)磁芯的耦合系數(shù)、占空比等參數(shù)算出各階段的等效電感Leq1、Leq2、Leq3。求出一周期中的平均電感LA。

依據(jù)式（9）可以求出相應(yīng)的電感范圍，保證電路工作在斷續(xù)狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述分析，文中設(shè)計(jì)了耦合電感，并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。磁芯為Philips公司的E18／4／10，輸入電壓為35 V，開關(guān)頻率為20 k Hz，負(fù)載為2.8Ω，占空比D＝0.2，耦合電感L1＝76μH，L2＝76.5μH，耦合系數(shù)為－0.26。

圖7波形驗(yàn)證了圖3仿真的正確性，可以看出紋波有所減小，電路的瞬態(tài)性能得到提高。

圖6 耦合系數(shù)為0時(shí)的單路電流波形

圖7 耦合系數(shù)為－0.26時(shí)的單路電流波形

圖8 耦合系數(shù)為0時(shí)的雙路電流波形

圖9 耦合系數(shù)為－0.26時(shí)的雙路電流波形

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器，仿真實(shí)驗(yàn)波形達(dá)到了預(yù)期的效果，驗(yàn)證了理論分析的正確性。電感電流波形紋波小，瞬態(tài)響應(yīng)快，有助于改善電路的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。

［1］ Pit－Leong Wong，Peng XU，Bo Yang，F(xiàn)red C Lee.Perf or mance i mprovements of interleaving VRMS with coupling inductors［J］.IEEE Trans.On Power Electronics，2001，16（4）：499－507.

［2］ Wang P L，Wu P.Investigating coupling inductors in the interleaving QSW VRM ［C］.New Orleans，Louisiana，IEE APEEC（15），2000：973－978.

［3］ 李 季，李洪珠.耦合電感在交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器中的應(yīng)用研究［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（4）：382－386.

［4］ 榮德生，李洪珠.耦合電感對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)變換器輸出特性的影響［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27：172－174.

［5］ 胡慶波，翟 博，呂征宇.一種新穎的升壓型電壓調(diào)整器－兩相交錯(cuò)并聯(lián)耦合電感BOOST變換器［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）：94－98.

［6］ 張?jiān)Ｊ?對(duì)耦合電感并聯(lián)等效計(jì)算研究［J］.棗莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（5）：39－40.