交錯并聯在低壓大電流開關電源中的應用

王曉琴，張武

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安　710014）

交錯并聯在低壓大電流開關電源中的應用

王曉琴，張武

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安710014）

基于在隔離型低壓大電流輸出的DC/DC變換器中，存在著動態響應速率慢，熱應力不均勻，紋波電流大的問題，在本文的48 V輸入，1.8 V/100 A輸出的低壓大電流開關電源設計中，后級采用了四相交錯并聯Buck結構，四相交錯并聯結構的應用，使得總的電流紋波小于各相的電流紋波，與傳統結構的電路相比，此拓撲大大減小了紋波電流。并通過實驗驗證了該方案的有效性和優越性，電源效率可達到96.86%，紋波系數可減小到0.06%。

交錯并聯Buck；DC/DC；拓撲；低壓大電流

隨著微處理器和數字信號處理器的普及，對供電電源的要求越來越高，特別是要求輸出的電壓越來越低，電流卻越來越大。這就要求有輸出電壓低、電流大、動態響應快的變換器。為了解決動態響應速率慢，電流紋波小，熱應力分布不均勻的問題。故此處提出了交錯并聯Buck的拓撲，很好的解決了紋波電流大的問題。

1　交錯并聯Buck拓撲的確定

盡管多相并聯Buck變換器較之傳統的單一Buck變換器有自己的優勢，但是如果將各個模塊之間直接并聯的話，各模塊之間的特性無法做到一致，系統也無法正常的工作。

由于誤差的存在和工藝水平的限制，并聯的各個系統之間的參數無法做到完全一致，微小的差別的存在是難以避免的。而且，各模塊之間的參數，也會隨著外界環境的變化而變化，這樣也會導致各模塊之間的差異增大，系統的穩定性變差。

在開關電源的系統中，并聯的Buck電路之間的各個參數沒有辦法做到完全一致，如果各個模塊被直接并聯，幾個模塊之間的電流不能得到均分，就會出現有些模塊電流較大，而有些模塊電流較小的情況，如果情況更糟，有可能使得有些模塊甚至沒有電流流過，這樣的話就使得系統無法正常工作，還可能存在很多方面的問題：

首先，如果各個并聯模塊之間的電流不能做到完全一致，就會使得有些模塊的輸出電流大，而有些模塊的輸出電流小，模塊中流過電流大的，電流、電壓應力比較大，流過電流小的，電壓、電流應力小。應力大的模塊的損壞幾率就比較大。

其次，當系統的負載較大時，如果各個模塊之間的電流不能做到完全一致，就會使得電路工作時，有些模塊中的電流率先達到最大值，超過系統中元件的電壓、電流應力，導致該模塊損壞，進而使得整個系統不能正常的工作，在瞬態變化過程中，各模塊之間電流的不均衡，還有可能導致整個系統無法正常的工作。

多相并聯的Buck電路可以輸出穩態的直流電壓，每一相Buck電路中的輸出低壓大電流開關電源的設計電流的大小取決于該相的輸出電壓與串聯的電阻之比，每一相Buck電路都可以等效為一個電壓源與電阻的串聯，也可以等效為一個電流源與電阻的并聯，這樣等效是為了研究多相并聯時能夠更方便，更有操作性。

交錯運行是一種開關電源的并聯方式，n個模塊交錯并聯運行，指的是各個并聯模塊的開關頻率都相等，但剛開始的開通時間，會錯開 1/n個開關周期。如果能夠實現各個模塊之間交錯并聯，從而使得總的電壓紋波和電流紋波減小、電磁干擾減小，從而帶來很多好處。

在低壓大電流輸出模塊中，多相交錯并聯技術被廣泛的使用，它的優點是：熱應力的合理分布，動態響應速度的加快，紋波電流的減小。以兩相的交錯并聯技術作為例子，如圖1所示，兩相交錯并聯后，總的電流紋波將會小于各相的電流紋波。為了減小輸出電壓的紋波，可以使電容的容量保持不變，為了減小輸出電容的容量可以使電壓紋波保持不變。這樣，就很好的解決了熱應力集中的問題［2］。

圖1　兩相交錯并聯Buck的各相電感電流及兩者之和

當決定使用多相交錯并聯技術之后，第一級輸出電壓大小的確定就成為一個重要的問題。根據多相交錯并聯技術，紋波的相互抵消原理可以得知，n相電路交錯并聯時，當占空比D＝1/n、2/n、…、n-1/n（n＞1）時，理論上，各相的電流的紋波之和將會達到零（如圖2）。根據這一個原理，假設n為后級中交錯并聯的相數，那么可以讓第二級輸出的電壓降低到第一級輸出的電壓的1/n、2/n、…、n-1/n（n＞1）［3］。假如第二級有較低的輸出電壓，那么前后兩級之間的電壓差別就會比較接近，這樣，半橋變換器中也就會存在，單級式隔離型變換器應用中存在的問題，因此可以讓后級的輸出電壓為前級的1/n［4］。采用兩級式結構的好處有：

1）在穩定工作的時候，電壓在理論上，可以得到零紋波輸出，從而減小輸出濾波電容。

2）合理的設計輸出濾波電感，使得動態響應速度得到保證。

3）良好的熱應力分布。

圖2　多相交錯并聯Buck電路紋波抵消作用

交錯并聯的相數n的選擇是十分重要的，如果交錯并聯相數n較大，電路的控制方法就會變得很難實現；如果交錯并聯相數n較小，兩級之間的電壓差距很小，這樣，很難提高變壓器的效率［5］。當輸出的電流較大時，倒顯得損耗也就會很大，導線的繞制方法也就變得至關重要，為了提高電源的效率，就需要大大的增加成本［6］。

在本文的48 V輸入，1.8 V/100 A輸出的低壓大電流開關電源設計中，選擇后級的交錯并聯的相數為n＝4。將7.2 V假設為前級的輸出電壓，這樣前級的半橋變換器的實現就不會受到影響，同時前級的輸出電壓會降到一個比較合適的范圍，而且也便于后級找到合適的控制電路。拓撲結構如圖3所示。

圖3　四相Buck并聯拓撲

2　實驗結果

在前面分析的基礎上，完成了一個輸入48 V，輸出1.8 V/ 100 A的DC/DC變換器。這個電路采用半橋+Buck的兩級式拓撲結構，后級采用HIP6303和HIP6602B作為并聯Buck的控制芯片。因為后級電路的正常工作不受前級電路的影響，所以可以單獨對后級的電路進行仿真和分析。后級采用4個Buck電路交錯并聯，來實現開關電路的輸出。對輸出電路進行仿真可以得到如圖4所示的輸出的電壓波形。

圖4　輸出電壓波形圖

通過在圖中取點，可知1.8 V輸出電壓的紋波峰峰值為1.810 2～1.811 3 V，紋波的電壓值約為9 mV，由此可得紋波系數：

輸出電壓平均值為：

輸出電壓準確度為：

通過計算，輸出電壓準確度和紋波系數均在1%之內，符合設計的要求，電壓穩定性較好。

輸出電流波形如圖5所示，取點可得輸出電流為96.254 A，可以計算輸出功率為：

圖5　輸出電流波形圖

綜上分析可知，電源轉換效率達到了η≥90%，說明開關電源各個參數的選擇符合設計的要求。

3　結束語

對適于低壓大電流的并聯交錯Buck拓撲作了詳細的說明，并在分析的基礎上，給出了相應的實驗結果。證明了這種并聯交錯Buck拓撲在低壓大電流DC/DC變換器中的合理性。隨著對電源性能要求的提高，這種拓撲將被越來越廣泛的采用。

［1］蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學直流變換部分［M］.北京：科學出版社，1993.

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［3］practical considerations in current mode power Supplies［J］. Unitrode Application 1999（3）:107-108.

［4］樊建輝.隔離式低壓大電流輸出DC/DC變換器拓撲分析［J］.通信電源技術，2006:362-367.

［5］Severns R，Bloom E.Modern DC/DC Switch Mode Power Coverter Circuits［M］.Van Nostrand Reinhold Company，1985.

［6］范俊杰等.LED驅動電源的現狀與展望［J］.中國科技信息，2009:187-193.

Application of the parallel interleaving in the low-voltage high-current output DC-DC converter

WANG Xiao-qin，ZHANG Wu
（School of Railway Vocational Technical Institute，Xi’an 710014，China）

In this paper，the advantages and disadvantages of Parallel Interleaving Buck are analyzed and synthesized.The Parallel Interleaving Buck have an advantage over fast dynamic effects，uniform thermal stress distribution and small current ripple.According to the experiments，the conclusion has been drawn that the parallel interleaving Buck is suitable for the Lowvoltage high-current output DC-DC converter.The efficiency is 96.86%and the ripple coefficient is 0.06%.

parallel interleaving Buck；DC/DC；topology；low-voltage high-current

TN702

A

1674-6236（2016）14-0184-02

2015-06-10稿件編號：201506109

王曉琴（1987—），女，山西陽泉人，碩士，助教。研究方向：電力電子與電力傳動。