磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器

李洪珠 曹人眾 張壘 李洪璠

摘 要：為了提高傳統(tǒng)Buck/Boost變換器的電壓增益、暫態(tài)響應(yīng)速度同時(shí)減小電感支路的電流紋波和變換器的體積重量。將磁集成開關(guān)電感技術(shù)和交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的Buck/Boost變換中，提出了磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器。通過采用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)替換傳統(tǒng)變換器中的電感的方式，使變換器正向功率變換的電壓增益提高為原來的2倍。采用磁集成技術(shù)并合理設(shè)計(jì)耦合電感間的耦合系數(shù)能夠減小該變換器電感支路的電流紋波、提高系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)速度、減小變換器的體積重量，進(jìn)而提高變換器的電氣性能。最后通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：Buck/Boost變換器；開關(guān)電感；磁集成；交錯(cuò)并聯(lián)；電壓增益

中圖分類號(hào)：TM 4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）06-0087-09

Abstract：It aims to improve the voltage gain and the transient response speed of the traditional Buck/Boost converter meanwhile reduce the current ripple and the volume weight of the converter. The magnetic integrated switch inductance technology and the interleaved parallel technology are applied to the traditional Buck/Boost transform，and a magnetic integrated switch inductor interleaved parallel Buck/Boost converter is proposed.The switching inductance structure was used to replace the inductance in the traditional converter， so that the voltage gain of the converter forward power conversion was increased to 2 times.The current ripple with integrated magnetics and the coupling coefficient of coupling inductance between the rational design of the converter can reduce the inductance branch， improve transient response speed， reduce the weight of the converter， and then improve the electrical performance of the converter.The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis.

Keywords：Buck/Boost converter；switching inductor； magnetic integration； interleaving magnetic；voltage gain

0 引 言

隨著全球的目光逐漸集中在新能源的開發(fā)利用上，高性能的雙向功率變換直流變換器也受到了普遍關(guān)注，近年來為了提高直流變換器的電氣性能，很多學(xué)者將交錯(cuò)并聯(lián)、磁集成、開關(guān)電感等技術(shù)引用到了直流變換器中[1-4]。文獻(xiàn)[5]將交錯(cuò)并聯(lián)磁集成技術(shù)應(yīng)用到DC/DC變換器中，減小了穩(wěn)態(tài)電流紋波、提高了暫態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[6]將開關(guān)電感應(yīng)用到了Boost變換器中，使Boost變換器的電壓增益有所提高。文獻(xiàn)[7]將開關(guān)電容方案引用到了直流變換器中，使變換器的電壓成倍的提高。文獻(xiàn)[8]利用開關(guān)電感替代傳統(tǒng)雙向DC/DC變換器中的存儲(chǔ)電感，視線輸入輸出電流紋波減少，同時(shí)提高了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，就此分析方式創(chuàng)新了傳統(tǒng)的BuckBoost變換器。

在傳統(tǒng)的Buck/Boost變換器的基礎(chǔ)上提出了磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器。與傳統(tǒng)Buck/Boost變換器相比磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boos變換器具有輸出電壓范圍大的優(yōu)點(diǎn)，通過控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比可以使該直流變換器單方向的輸出側(cè)的電壓值高于或低于輸入側(cè)的電壓值。磁集成開關(guān)電感和交錯(cuò)并聯(lián)的應(yīng)用，可以提高變換器的電壓變換比、減小電流紋波、提升暫態(tài)速度、減小變換器的損耗，進(jìn)而優(yōu)化變換器輸出的電能質(zhì)量[8-12]。通過對(duì)變換器穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的分析，得出了該直流變換器磁集成電感耦合度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。并通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作模態(tài)

1.1 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 變換器工作模態(tài)

1）變換器正向功率變換模態(tài)分析。

在正向功率變換過程中該變換器在一個(gè)工作周期內(nèi)共有4個(gè)模態(tài)。4個(gè)模態(tài)的工作波形如圖2所示。

2 變換器工作性能分析

2.1 變換器的電壓增益

在正向功率變換中，根據(jù)式（1）～式（3）能夠得到每一條支路電感中的電流在4個(gè)模態(tài)中的變化情況如表1所示。

在反向功率變換中，根據(jù)式（4）～式（6）能夠得到每一條支路電感中的電流在4個(gè)模態(tài)中的變化情況如表2所示。

由表1和表2與傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器相比，雖然在反向功率變換的情況下兩側(cè)電壓變換比相同，但是在正向功率變換的情況下電壓增益能夠提高為原來的2倍。

2.2 變換器的等效電感

磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器共有4個(gè)工作模式，在Boost模式（Buck與Boost相同）下的等效電感如表3所示。

2.3 支路等效穩(wěn)態(tài)電感

變換器在一個(gè)開關(guān)周期的4個(gè)模態(tài)下的支路等效電感Leq1～Leq4和電流iL1的波形如圖4所示。

2.4 支路等效暫態(tài)電感

磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器在正向功率變換過程中，當(dāng)開關(guān)管占空比增大ΔD時(shí)，L1所在的支路中電感繞組電流的變化情況如圖5所示。

由圖5和表3可得各時(shí)間段的支路電流增量為：

通過比較式（8）與式（21）可知，變換器支路暫態(tài)電流增量在電感耦合和非耦合兩種形式上的差異是由Leq2和Ldis不同造成的。因此磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器的支路等效暫態(tài)電感Ltr=Leq2，即

因此，①在降低支路穩(wěn)態(tài)電流紋波時(shí)能夠保持支路暫態(tài)電流響應(yīng)速度不發(fā)生變化；②在提高支路暫態(tài)電流響應(yīng)速度時(shí)能夠保持支路穩(wěn)態(tài)電流紋波不發(fā)生變化；③在既降低支路穩(wěn)態(tài)電流紋波，又提高支路暫態(tài)電流響應(yīng)速度時(shí)，能夠解決非耦合條件下電感繞組所在支路的穩(wěn)態(tài)電流紋波和暫態(tài)電流響應(yīng)速度相互矛盾的問題，進(jìn)而提高了變換器的綜合電氣性能。

3 耦合電感設(shè)計(jì)

3.1 物理結(jié)構(gòu)

所應(yīng)用的陣列式磁路結(jié)構(gòu)如圖7所示，由磁心1#、2#、3#組成的一個(gè)整體磁路。為了使電感繞組L1與L2、L3與L4之間能夠?qū)崿F(xiàn)正向耦合并且耦合度達(dá)到最大，將4個(gè)電感繞組按照?qǐng)D7中的位置纏繞在磁心上，同時(shí)電感繞組L1、L2與L3、L4分別實(shí)現(xiàn)反向耦合形式。

由前文分析可知正向耦合電感間的正向耦合系數(shù)越大，支路的穩(wěn)態(tài)電流紋波越小，同時(shí)通過調(diào)整氣隙的磁阻來調(diào)節(jié)Rw，可以設(shè)計(jì)反向耦合電感間的反向耦合系數(shù)k2的值，從而可以優(yōu)化支路暫態(tài)電流響應(yīng)時(shí)間。這樣能夠使DC/DC變換器的支路穩(wěn)態(tài)電流紋波及暫態(tài)電流響應(yīng)時(shí)間同時(shí)達(dá)到理想的狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提出的磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器的工作原理，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。全耦合的4個(gè)電感繞組的自感值與互感值參數(shù)如表4所示。

4.1 正、反向功率變換的輸入輸出電壓實(shí)驗(yàn)

圖8（a）和圖8（b）分別是變換器在正向功率變換過程中對(duì)應(yīng)的輸入電壓V1和輸出電壓V2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。由圖中數(shù)據(jù)可知在輸入電壓V1=18 V條件下，電壓V2≈24 V，驗(yàn)證了輸出、輸入兩端電壓關(guān)系式（7）的正確性。圖8（c）和圖8（d）分別是變換器在反向功率變換過程中輸出側(cè)電壓V2和輸出電壓V1對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。此時(shí)輸入端電壓V2=24 V，由圖中數(shù)據(jù)可知輸出側(cè)電壓V1≈18 V，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了反向功率變換時(shí)兩端電壓關(guān)系式（8）的正確性。

4.2 耦合與非耦合下的電流紋波分析實(shí)驗(yàn)

圖9是變換器正向功率變換過程中耦合與非耦合兩種條件下的電感支路的電流實(shí)驗(yàn)波形。在正向功率變換過程中設(shè)置其中輸入端電壓V1=18 V，頻率是50 kHz，輸出端電壓V2=24 V，此時(shí)占空比D=0.4。

由圖9（a）可知耦合條件下對(duì)應(yīng)的電感支路電流紋波約為16 A，由圖9（b）可知非耦合條件下對(duì)應(yīng)的電感支路電流紋波約為31 A。通過對(duì)比能夠得出變換器電感經(jīng)過磁集成處理后能夠使電感支路電流紋波減小，進(jìn)而提高電氣性能。

圖10為變換器在反向功率變換過程中電感耦合與非耦合兩種條件下的電感支路的電流波形圖。在反向功率變換過程中設(shè)置其中輸入端電壓V2=24 V，同樣頻率是50 kHz，此時(shí)占空比D=3/7。由圖10（a）可知耦合條件下對(duì)應(yīng)電感支路電流紋波約為10 A，由圖10（b）可知非耦合條件下對(duì)應(yīng)的電感支路電流紋波約為22 A。通過對(duì)比可知變換器的電感經(jīng)過磁集成處理后可以使電感支路電流紋波在一定程度上減小。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得提出直流變換器的電感經(jīng)過磁集成后能夠降低電感支路的電流紋波，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4.3 耦合與非耦合下響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

當(dāng)輸出側(cè)負(fù)載突然增加時(shí)，變換器在耦合與非耦合兩種情況下輸出電壓的波形如圖11所示。由圖可知電感耦合條件下變換器暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間為35 ms，電感非耦合條件下變換器暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間為55 ms。通過對(duì)比可得，電感經(jīng)過磁集成處理后能夠提高暫態(tài)響應(yīng)速度，改善變換器的動(dòng)態(tài)電氣性能，驗(yàn)證了前文的理論分析。

5 結(jié) 論

本文提出磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器主要有以下特點(diǎn)：

1）變換器正向功率變換時(shí)的電壓增益提高為原來的2倍。

2）利用等效電感歸一化的方法給出了該變換器電感耦合度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，推出參數(shù)的設(shè)計(jì)有效范圍。

3）本文提出的變換器與傳統(tǒng)的Buck/Boost變換器相比在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能方面得到了一定程度的改善，提高了變換器的應(yīng)用價(jià)值。

通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)變換器的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性。上述分析表明磁集成開關(guān)電感交錯(cuò)并聯(lián)Buck/Boost變換器具有優(yōu)良的綜合性能。

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（編輯：賈志超）