交错并联在低压大电流开关电源中的应用

电子设计工程ElectronicDesignEngineering第24卷Vol.24第14期No.142016年7月Jul.2016收稿日期：2015-06-10稿件编号：201506109作者简介：王晓琴（1987—），女，山西阳泉人，硕士，助教。研究方向：电力电子与电力传动。随着微处理器和数字信号处理器的普及，对供电电源的要求越来越高，特别是要求输出的电压越来越低，电流却越来越大。这就要求有输出电压低、电流大、动态响应快的变换器。为了解决动态响应速率慢，电流纹波小，热应力分布不均匀的问题。故此处提出了交错并联Buck的拓扑，很好的解决了纹波电流大的问题。1交错并联Buck拓扑的确定尽管多相并联Buck变换器较之传统的单一Buck变换器有自己的优势，但是如果将各个模块之间直接并联的话，各模块之间的特性无法做到一致，系统也无法正常的工作。由于误差的存在和工艺水平的限制，并联的各个系统之间的参数无法做到完全一致，微小的差别的存在是难以避免的。而且，各模块之间的参数，也会随着外界环境的变化而变化，这样也会导致各模块之间的差异增大，系统的稳定性变差。在开关电源的系统中，并联的Buck电路之间的各个参数没有办法做到完全一致，如果各个模块被直接并联，几个模块之间的电流不能得到均分，就会出现有些模块电流较大，而有些模块电流较小的情况，如果情况更糟，有可能使得有些模块甚至没有电流流过，这样的话就使得系统无法正常工作，还可能存在很多方面的问题：首先，如果各个并联模块之间的电流不能做到完全一致，就会使得有些模块的输出电流大，而有些模块的输出电流小，模块中流过电流大的，电流、电压应力比较大，流过电流小的，电压、电流应力小。应力大的模块的损坏几率就比较大。其次，当系统的负载较大时，如果各个模块之间的电流不能做到完全一致，就会使得电路工作时，有些模块中的电流率先达到最大值，超过系统中元件的电压、电流应力，导致该模块损坏，进而使得整个系统不能正常的工作，在瞬态变化过程中，各模块之间电流的不均衡，还有可能导致整个系统无法正常的工作。多相并联的Buck电路可以输出稳态的直流电压，每一相Buck电路中的输出低压大电流开关电源的设计电流的大小取决于该相的输出电压与串联的电阻之比，每一相Buck电路都可以等效为一个电压源与电阻的串联，也可以等效为一个电流源与电阻的并联，这样等效是为了研究多相并联时能够更方便，更有操作性。交错运行是一种开关电源的并联方式，n个模块交错并联运行，指的是各个并联模块的开关频率都相等，但刚开始的开通时间，会错开1/n个开关周期。如果能够实现各个模块之间交错并联，从而使得总的电压纹波和电流纹波减小、电磁干扰减小，从而带来很多好处。在低压大电流输出模块中，多相交错并联技术被广泛的交错并联在低压大电流开关电源中的应用王晓琴，张武（西安铁路职业技术学院陕西西安710014）摘要：基于在隔离型低压大电流输出的DC/DC变换器中，存在着动态响应速率慢，热应力不均匀，纹波电流大的问题，在本文的48V输入，1.8V/100A输出的低压大电流开关电源设计中，后级采用了四相交错并联Buck结构，四相交错并联结构的应用，使得总的电流纹波小于各相的电流纹波，与传统结构的电路相比，此拓扑大大减小了纹波电流。并通过实验验证了该方案的有效性和优越性，电源效率可达到96.86%，纹波系数可减小到0.06%。关键词：交错并联Buck；DC/DC；拓扑；低压大电流中图分类号：TN702文献标识码：A文章编号：1674-6236（2016）14-0184-02Applicationoftheparallelinterleavinginthelow-voltagehigh-currentoutputDC-DCconverterWANGXiao-qin，ZHANGWu（SchoolofRailwayVocationalTechnicalInstitute，Xi’an710014，China）Abstract:Inthispaper，theadvantagesanddisadvantagesofParallelInterleavingBuckareanalyzedandsynthesized.TheParallelInterleavingBuckhaveanadvantageoverfastdynamiceffects，uniformthermalstressdistributionandsmallcurrentripple.Accordingtotheexperiments，theconclusionhasbeendrawnthattheparallelinterleavingBuckissuitablefortheLow-voltagehigh-currentoutputDC-DCconverter.Theefficiencyis96.86%andtheripplecoefficientis0.06%.Keywords:parallelinterleavingBuck；DC/DC；topology；low-voltagehigh-current-184-使用，它的优点是：热应力的合理分布，动态响应速度的加快，纹波电流的减小。以两相的交错并联技术作为例子，如图1所示，两相交错并联后，总的电流纹波将会小于各相的电流纹波。为了减小输出电压的纹波，可以使电容的容量保持不变，为了减小输出电容的容量可以使电压纹波保持不变。这样，就很好的解决了热应力集中的问题[2]。当决定使用多相交错并联技术之后，第一级输出电压大小的确定就成为一个重要的问题。根据多相交错并联技术，纹波的相互抵消原理可以得知，n相电路交错并联时，当占空比D=1/n、2/n、…、n-1/n（n＞1）时，理论上，各相的电流的纹波之和将会达到零（如图2）。根据这一个原理，假设n为后级中交错并联的相数，那么可以让第二级输出的电压降低到第一级输出的电压的1/n、2/n、…、n-1/n（n＞1）[3]。假如第二级有较低的输出电压，那么前后两级之间的电压差别就会比较接近，这样，半桥变换器中也就会存在，单级式隔离型变换器应用中存在的问题，因此可以让后级的输出电压为前级的1/n[4]。采用两级式结构的好处有：1）在稳定工作的时候，电压在理论上，可以得到零纹波输出，从而减小输出滤波电容。2）合理的设计输出滤波电感，使得动态响应速度得到保证。3）良好的热应力分布。交错并联的相数n的选择是十分重要的，如果交错并联相数n较大，电路的控制方法就会变得很难实现；如果交错并联相数n较小，两级之间的电压差距很小，这样，很难提高变压器的效率[5]。当输出的电流较大时，倒显得损耗也就会很大，导线的绕制方法也就变得至关重要，为了提高电源的效率，就需要大大的增加成本[6]。在本文的48V输入，1.8V/100A输出的低压大电流开关电源设计中，选择后级的交错并联的相数为n=4。将7.2V假设为前级的输出电压，这样前级的半桥变换器的实现就不会受到影响，同时前级的输出电压会降到一个比较合适的范围，而且也便于后级找到合适的控制电路。拓扑结构如图3所示。2实验结果在前面分析的基础上，完成了一个输入48V，输出1.8V/100A的DC/DC变换器。这个电路采用半桥+Buck的两级式拓扑结构，后级采用HIP6303和HIP6602B作为并联Buck的控制芯片。因为后级电路的正常工作不受前级电路的影响，所以可以单独对后级的电路进行仿真和分析。后级采用4个Buck电路交错并联，来实现开关电路的输出。对输出电路进行仿真可以得到如图4所示的输出的电压波形。通过在图中取点，可知1.8V输出电压的纹波峰峰值为1.8102~1.8113V，纹波的电压值约为9mV，由此可得纹波系数：S=1.8113-1.81021.8≈0.06%输出电压平均值为：U=U1+U22=1.8102+1.81132=1.81075V图4输出电压波形图图3四相Buck并联拓扑图2多相交错并联Buck电路纹波抵消作用图1两相交错并联Buck的各相电感电流及两者之和（下转第189页）王晓琴，等交错并联在低压大电流开关电源中的应用-185-输出电压准确度为：γ=U-U0U0×100%=1.81075-1.81.8×100%≈0.597%通过计算，输出电压准确度和纹波系数均在1%之内，符合设计的要求，电压稳定性较好。输出电流波形如图5所示，取点可得输出电流为96.254A，可以计算输出功率为：P0=1.8113×96.254≈174.34W所以电源效率为：η=174.34180≈96.86%综上分析可知，电源转换效率达到了η≥90%，说明开关电源各个参数的选择符合设计的要求。3结束语对适于低压大电流的并联交错Buck拓扑作了详细的说明，并在分析的基础上，给出了相应的实验结果。证明了这种并联交错Buck拓扑在低压大电流DC/DC变换器中的合理性。随着对电源性能要求的提高，这种拓扑将被越来越广泛的采用。参考文献：[1]蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学直流变换部分[M].北京：科学出版社，1993.[2]Rxu，WeiJ，LeeFC.Theactive-clampcouple-Buckconverter-Anovelhighefficiencyvoltageregulatormodules[J].IEEEAPEC，2001:252-257.[3]practicalconsiderationsincurrentmodepowerSupplies[J].UnitrodeApplication1999（3):107-108.[4]樊建辉.隔离式低压大电流输出DC/DC变换器拓扑分析[J].通信电源技术，2006:362-367.[5]SevernsR，BloomE.ModernDC/DCSwitchModePowerCoverterCircuits[M].VanNostrandReinholdCompany，1985.[6]范俊杰等.LED驱动电源的现状与展望[J].中国科技信息，2009:187-193.第二步：用矢量网分析仪器连接节点1、节点2，当电路中接入2个节点、3个节点、4个节点时，其传输系数S21分别对应图10中由上到下的虚线、黑线和灰线。观察可知，三条曲线形状相似，均呈抛物线状，最高点依次递减，分别为（5.095MHz，-6.421dB）、（5.095MHz，-7.202dB）、（5.275MHz，-7.918dB）。观察得知，在1~10MHz频带内，系统的传输系数在5MHz附近取得。并随着接入电路中节点数的增加，传输系数逐渐减小。这是因为随着接入电路节点数的增加，对于发送信号的节点1来说，相当于并联的负载数增加，导致总的负载阻抗减小，从而负载的分压减小，那么节点2接收到的信号功率必随之减少。由两部分测试可知，在1~10MHz频带范围内，信号通过耦合电路能过在电源线上无失真传输，并在5MHz附近传输效率最高，衰减可达-6.421dB。且随着接入电路负载的增加，传输系数逐渐减小。6结论本文针对直流电源的信道特性，设计出适用于直流环境的宽带载波通信耦合电路。该耦合电路能使一定带宽的交流信号在电源线上无失真传输，且能较好地满足传输特性的要求，对多点网络传输特性研究有借鉴意义。参考文献：[1]李建岐，胡岚，米硕.低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置[J].电力系统通信，2004（4）:7-10.[2]BertuolS，etal.NumericalAssessmentofPropagationChannelCharacteristicsforFutureApplicationofPowerLineCommunicationinAircraft[C]//10thInt.Symp.onEMC，2011:506-511.[3]DégardinV.etal.Theoreticalapproachtothefeasibilityofpowerlinecommunicationinaircrafts[J].IEEETrans