一種滿足低紋波大電流的改進型Buck 電路

張欣欣，張東青，王 哲，馬榮波，張文雄

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

在現代科學技術高速發展的當下，開關電源的創新愈加迅速。開關電源發展的大體趨勢是低壓大電流。開關電源主要以 MOSFET、IGBT、SIC、GaN 等[1]作為開關器件，高頻化是其發展的方向。高頻化最重要的優點是大大減小了電感電容的體積，從而減小了整體體積，提高了整體的功率密度。就降壓電路Buck 而言，傳統Buck 電路輸出電壓紋波較大、功率密度低。為解決這些弊端，提出交錯并聯式Buck，有效減小了輸出電壓紋波，提高了功率密度，降低了開關器件的應力要求，為Buck 在大電流場合工作提供了新的應用思路。

1 交錯并聯Buck 變換器的簡單介紹

文中僅以占空比不大于50%的連續情況下的工作過程為例進行介紹。電感電流連續時有4種工作狀態[2]，如圖1 所示。

圖1 連續模式下的4 種工作狀態

電路中，由于兩路驅動信號互補，此時兩路電感一路充電、一路放電。帶同樣大小負載時，使得流過電感L1、L2以及主電路開關管上的電流減小為原來的一半，降低了開關管的通態損耗、電感以及輸出電容的容量。

圖2 為交錯Buck 正常工作時的具體過程分析的電路圖。0 ＜D＜0.5 時的主要工作波形圖，如圖3 所示。

圖2 具體工作過程分析

圖3 0 ＜D ＜0.5 時的主要工作波形圖

假設當L1處于儲能狀態、L2處于放能狀態時，有：

所以，兩路紋波電流分別為：

此時，總的輸出電流紋波為：

f表示頻率。可知，輸出電流紋波要比傳統Buck變換器紋波要小。交錯并聯Buck 電路還可以降低輸出端電容電流的有效值。如圖4 所示，在傳統Buck 電路與交錯并聯Buck 電路拓撲中，輸出電容電流有效值與占空比的關系分別為[3]：

圖4 輸出電容電流有效值與占空比的函數關系

圖4 為Buck 電路與交錯Buck 電路輸出端電容電流與占空比的關系。由圖4 可知，交錯并聯Buck 拓撲與傳統降壓型Buck 拓撲相比，電容電流脈動最大值減小了一半左右，這在圖3 電容電流的波形圖里也有所體現。在交錯并聯Buck 拓撲中，流過交錯Buck 的電感電流為總輸入電流的一半。Buck 電路與交錯并聯Buck 電路儲存的能量可以表示為：

比較分析可以得出，交錯并聯Buck 的一個電感儲能是Buck 中電感儲能的一半[4]。對于輸出電壓紋波，由于所以：

對于交錯并聯Buck 而言，假設電感L1儲能、L2放能時總輸出電流紋波為式（12），L1放能與L2儲能結果與以上結果相同，當兩個電感都處于放能階段時，有：

由式（11），可得：

由于電路輸出頻率變為傳統Buck 電路2 倍，推導可得[5]：

由于0 ＜D＜0.5，因此由式（10）與式（14）可知，輸出電壓紋波變小。由于輸出電流紋波頻率提高，因此交錯并聯Buck 還降低了對濾波電容和電感的要求，進而提高了整體的功率密度。

2 仿真驗證

為檢驗理論性分析，對Buck 電路和交錯并聯Buck 電路分別用Simulink 進行仿真對比。交錯Buck電路主要參數設計為：輸入電壓UIN=12 V，輸出電壓Uo=5 V，電感L=1 mH，輸出端電容C=1 000 μF，輸出電阻R=1 Ω，此時負載為5 A，開關管使用mosfet，最大步長為1e-6，仿真時間均設置為0.5 s，做成PI 閉環仿真。

圖5 Buck 仿真電路

圖5 為Buck 電路仿真圖形，圖6 為交錯并聯Buck 電路仿真圖形。

圖7 為在設定參數下Buck 電路輸出電壓波形。由圖7 可知，Buck 紋波范圍大概是4.98～5.005 V，一個周期內峰值與幅值相差20 mV 左右。

圖6 交錯并聯Buck

圖7 Buck 輸出電壓紋波

圖8 為在設定參數下交錯Buck 電路輸出電壓波形。由圖8 可知，交錯Buck 紋波范圍是4.998～5.002 V，一個周期內峰值與幅值相差10 mV 左右。

圖8 交錯Buck 輸出電壓紋波

圖9 為在設定參數下Buck 電路輸出電流波形，Buck 電路輸出電流紋波范圍為4.8～5.2 A，一個周期內峰值與幅值相差0.4 A 左右。

圖9 Buck 電路輸出電流紋波

交錯Buck 輸出電流紋波范圍為4.95～5.05 A，一個周期內峰值與幅值相差0.1 A 左右。

對比圖7 與圖8 可知，發現和理論分析相符，交錯Buck 電壓輸出紋波小于Buck 電壓輸出紋波。對比圖9 與圖10 可以發現，交錯Buck 輸出電流紋波小于傳統Buck 電路輸出電流紋波，與理論分析時由于兩路電感工作方式不同導致紋波抵消的結論相符。由圖10可以看出，輸出電流有效值為5 A，而流過兩個開關管電流大致為2.5 A，證明了交錯Buck 電路減小了開關管的電流應力。

圖10 交錯并聯Buck 輸出電流紋波

3 實驗驗證

圖11 為Buck 電路實物圖，圖12 為交錯Buck 電路實物圖。

圖11 Buck 電路實物圖

圖12 交錯并聯Buck 電路實物圖

圖13 所得紋波是在交流耦合條件下測得的，此時每個格20 mV，紋波波動范圍為-20～10 mV，峰峰值為30 mV。

圖14 所得紋波是在交流耦合條件下測得的，此時每個格為100 mV，紋波波動范圍為-100～100 mV，峰峰值為200 mV。

實驗驗證中，以SG3525 為控制芯片，開關管選擇Mosfet75n75，開關頻率均設為62.6 kHz，分別制作了Buck 電路和交錯Buck 電路進行實驗驗證。在輸入電壓為12 V、輸出電壓5 V 時，用示波器測定兩種拓撲輸出電壓紋波，發現交錯并聯Buck 的輸出電壓紋波小于傳統Buck 電路。可見，實驗結果與仿真及理論分析一致，驗證了交錯Buck 的優點。

圖13 交錯并聯Buck 電路輸出電壓紋波

圖14 Buck 電路輸出電壓紋波

4 結 論

將交錯并聯Buck 電路與傳統Buck 電路在占空比0 ＜D＜0.5 的工作情況下進行對比，可以發現交錯Buck 電路輸出電壓紋波和電流紋波都減小了，流過開關管的電流也減小了，進而減小了開關管電流應力，使輸出電壓紋波和電流紋波更小，功率密度變大，也更適合在大電流條件下工作。