耦合電感在交錯并聯斷續Buck變換器中的應用研究

盧 迪，姚國順，李陸軍，3，陳 輝

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

0 引 言

Buck變換器是一種最基本的變換器，廣泛應用于動車組、火車等的輔助電源系統中。這些應用場合通常存在高功率、大電流的特點，應用交錯并聯技術可以減小輸入電流紋波，降低開關損耗，提高變換器的效率。

雖然Buck變換器通過交錯并聯可以降低開關損耗，但變換器仍然工作在硬開關狀態，存在較嚴重的二極管反向恢復問題，導致開關損耗的增加和較嚴重的EMI問題。對于單路，目前抑制Buck變換器續流二極管反向恢復的方法有兩種：一種是選擇使用碳化硅（Si C），另一種是電路采用斷續（DCM）工作模式。但在目前技術條件下，碳化硅二極管功率級比較低（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，開關器件的電流應力過大。

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

本文介紹的交錯并聯Buck變換器占空比小于0.5。文中分析了電路工作原理，最后通過實驗驗證了上述分析的正確性。

1 工作原理

1.1 電路結構

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

圖1 帶耦合電感的兩路交錯式Buck變換器

1.2 工作原理

變換器工作在斷續模式比較復雜，不能一一分析。為便于分析設計，以臨界狀態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導通，電感L1電流上升，VT2關斷，電感L2經VD2續流。如圖2（a）所示。根據電路原理，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關斷，L1、L2處于續流階段。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關斷，電感L1續流，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 交錯并聯Buck變換器各階段工作狀態

圖3 耦合電感電流波形

本文只對D＜0.5下的交錯并聯Buck變換器（工作在臨界狀態）進行了仿真，從圖3可以看出，穩態電流紋波是由等效電感Leq1決定的，可以發現當M＞0時，總存在Leq1＜L，這造成了很大的電流紋波；而當M＜0時，總存在Leq1＞L，穩態電流紋波減小。根據Leq1＞L的條件，結合等式（2）可推出：

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

上述分析可知，對于交錯通道之間的耦合電感，其穩態和動態性能是由不同的耦合電感決定的，通過調整對應的耦合電感可以改善穩態和動態性能。

3 參數設計

（1）磁芯設計

利用中柱氣息大小改變耦合系數的耦合電感的結構如圖4所示。

圖4 耦合電感結構

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，N1＝N2＝N。

對于鐵氧體磁芯，大部分阻值在氣隙中，通過調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。

（2）電感設計

根據磁芯的耦合系數、占空比等參數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。

依據式（9）可以求出相應的電感范圍，保證電路工作在斷續狀態。

4 實驗結果

根據上述分析，文中設計了耦合電感，并制作了實驗樣機。磁芯為Philips公司的E18／4／10，輸入電壓為35 V，開關頻率為20 k Hz，負載為2.8Ω，占空比D＝0.2，耦合電感L1＝76μH，L2＝76.5μH，耦合系數為－0.26。

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

圖6 耦合系數為0時的單路電流波形

圖7 耦合系數為－0.26時的單路電流波形

圖8 耦合系數為0時的雙路電流波形

圖9 耦合系數為－0.26時的雙路電流波形

5 結 論

本文設計的交錯并聯Buck變換器，仿真實驗波形達到了預期的效果，驗證了理論分析的正確性。電感電流波形紋波小，瞬態響應快，有助于改善電路的穩態和瞬態性能。

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