0 引言

    隨著信息技術的迅速發展，電子隨身產品如智能手機、筆記本電腦等對電源的性能要求也越來越高，總體趨勢是低電壓、大電流以及小紋波^[1-3]。基于此，國內外針對對此類特殊電源進行了大量研究。

    傳統buck變換器受電路參數的影響而電壓傳輸比較低，為提高變換器傳輸比，在傳統buck變換器的基礎上，通過簡單串聯可以得到級聯型buck變換器^[4]。該拓撲具有輸入輸出變比大的特點。但由于采用級聯方式，系統穩定性較差。在此基礎上，文獻[5-7]對電路進行改進得到單管二次型buck變換器，其解決了系統穩定性問題，但電路結構復雜，控制電路設計較為困難且輸出紋波較大。文獻[8-11]對交錯并聯型buck變換器進行了研究。由于采用并聯的方式，交錯并聯電路能輕松實現自動均流并降低輸出紋波的目的，但電路的輸出增益與傳統buck電路相同，且開關管與二極管的電壓應力較高。

    綜上所述，本文在傳統級聯型buck變換器的基礎上，通過引入開關電容，從而得到一種新型交錯并聯型buck變換器。該變換器具有以下優點：(1)采用交錯并聯型拓撲結構能起到自動均流的作用，有效減小了濾波電感；(2)降低了輸出電壓紋波；(3)在相同占空比的情況下，其電路的增益更高；(4)開關電容的引入減小了開關管的電壓應力。

1 新型buck變換器的提出

    傳統buck變換器的拓撲電路可以看做由開關管S、二極管VD、電感L組成的三端口網絡，如圖1(a)所示。在支路中引入受控電壓源u1，可得到如圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)所示的高增益三端口網絡。

    定義占空比為D，由伏秒平衡原理可知，當變換器工作于連續模式(CCM)時，圖1(a)~圖1(d)所示拓撲電路的電壓增益對應分別為：

    在參數相同的情況下，電壓增益M_c<M_b<M_d。在開關電壓應力方面，輸入電壓相同時，圖1(b)、(d)所示三端口網絡由于電壓源u₁的引入，可以減小開關管與二極管的電壓應力；圖1(c)所示模型對開關電壓應力沒有影響。在變換器中，降低開關應力有利于減小變換器的開關損耗。因此結合開關增益與電壓應力兩方面因素，圖1(b)三端口網絡為更優網絡模型。利用電容穩壓代替受控源則可得到如圖2所示的新型交錯并聯型buck變換器拓撲電路。

2 變換器工作原理

    在變換器工作原理分析過程中，做如下假設：(1)變換器始終工作在CCM模式下；(2)開關管與二極管均是理想器件；(3)儲能電容兩端的電壓恒定。

    在一個開關周期內，新型buck變換器采用交錯控制策略。因此，當開關管的占空比D>0.5和D<0.5時，變換器的工作狀態有所不同。

2.1 占空比D<0.5

    當占空比D<0.5時，在一個連續開關周期內，變換器有三種不同的工作狀態，如表1所示。變換器工作狀態1時的等效電路如圖3所示。

    以狀態1為例，當開關管S₁開通、S₂關斷時，此時，二極管D₁兩端因承受反向電壓而截止，輸入電源u_in給儲能電容C₁充電，電感L₁兩端電壓為u_in-u_c1-u_o，電感電流i_L1線性上升，而二極管D₂承受正向電壓導通，電感L₂兩端電壓為輸出電壓u_o，電感電流i_L2線性下降，狀態2、3分析方法與上述分析相同，可得圖4所示變換器工作波形圖。

2.2 占空比D>0.5

    當占空比D>0.5時，在一個開關周期內，變換器有三種不同的工作狀態，如表2所示。

    因此，與占空比小于0.5時情況相比，存在開關管同時開通情況，此時等效電路如圖5所示。

    當開關管S₁、S₂同時開通時，二極管D₁兩端因承受反向電壓而截止，輸入電源u_in給儲能電容C₁充電，電感L₁兩端電壓為u_in-u_c1-u_o，電感電流i_L1線性上升，二極管D₂也承受正向電壓截止，電感L₂兩端電壓為輸出電壓u_in-u_o，電感電流i_L2線性上升，狀態1、2分析方法與上述分析相同。

3 性能分析

    實際應用中，buck變換器通常工作在占空比D<0.5的情況下，因此，性能分析主要考慮此情形。

3.1 電壓增益M

    當占空比小于0.5時，在一個周期內對電感L₁、電感L₂由伏秒平衡可得：

3.2 開關管與二極管電壓應力

    開關管S₁與S₂的電壓應力u_s1和u_s2分別為：

    因此，開關管S₁與二極管D₁、D₂的電壓應力均為輸入電壓u_in的0.5倍，而開關管S₂承受的電壓應力為輸入電壓u_in。

3.3 電流紋波

    在一個穩態工作周期內，設電感電流i_l1、i_l2的平均值分別為I_L1和I_L2，輸出電流i_o的平均值為I_o。穩態工作時，一個開關周期T_s內電容C₁的充電與放電電荷必然相等，因此當開關S₁、S₂的工作占空比D相等時，I_L1與I_L2必然相等且電流互相交錯，可實現自動均流，即：

4 仿真驗證

    為驗證理論分析的正確性，對新型交錯并聯buck變換器電路進行了仿真，仿真電路如圖2所示。其主要參數如下：輸入電壓u_in=40 V，輸出電壓u_o=5 V，電感L₁=L₂=20 μH，電容C₁=500 μF，輸出電容C_o=520 μF。圖6(a)為輸入u_in、輸出電壓u_o及開關管S₁、S₂的驅動信號波形圖，占空比D=0.25，電壓增益為傳統buck變換器的1/2。圖6(b)為開關管S₁、S₂的及二極管D₁、D₂的電壓應力波形，由圖可以看出電壓應力u_s1與u_D1、u_D2均為輸入電壓u_in的1/2，而開關管S₂的電壓應力u_s2為輸入電壓，有利于降低開關損耗。圖6(c)為電感電流i_l1、i_l2及輸出電流i_o的波形，由圖可知，變換器能實現自動均流的作用，有利于變換器的散熱，同時輸出電流頻率為開關頻率的2倍，有利于減小輸出紋波。

5 結論

    本文通過分析buck變換器的三端口網絡模型，通過引入開關電容得到一種新型交錯并聯型buck變換器，分析了變換器在占空比D<0.5和D>0.5時的工作原理，并對D<0.5時變換器性能進行了詳細的分析，最后進行了仿真驗證。結合理論與仿真分析可知，新型變換器占空比D<0.5有如下優點：(1)電壓增益為傳統buck或交錯buck變換器的0.5倍；(2)開關管與二極管電壓應力為輸入電壓的一半，即為傳統buck變換器的一半；(3)變換器能自動均流，有利于散熱設計；(4)輸出電流紋波為傳統buck變換器的0.5(1-2D)/(1-D)倍，為傳統交錯buck變換器0.5倍，紋波更小且頻率為開關變換器2倍。

參考文獻

[1] Tiann JongChen，Yuh ShyanHwang，Jin HuaYu，et al.A Low-EMI Buck converter suitable for wireless sensor networks with spur-reduction techniques[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，16(8)：2588-2597.

[2] Wei ChungChen，Ching Sungwang，Yi Pingsu，et al.Reduction of equivalent series inductor effect in delay-ripple reshaped constant on-time control for buck converter with multilayer ceramic capacitors[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(5)：2366-2376.

[3] 劉樹林，劉健，宼蕾，等.Buck DC/DC變換器的輸出紋波電壓分析及應用[J].電工技術學報，2007，22(2)：91-97.

[4] 盧志飛.二次型開關DC-DC變換器研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[5] 盧志飛，楊平，劉雪山，等.單開關二次型DCM Buck變換器[J].電工技術學報，2011，26(1)：65-70.

[6] 董政，王金平，楊平，等.恒定導通時間控制二次型Buck變換器分析[J].電力電子技術，2012，46(7)：31-33.

[7] 陸治國，田海濤，汪淵.一種新型的交錯并聯二次型buck變換器[J].電力電子技術，2014，48(2)：19-23.

[8] 陸治國，祝萬平，劉捷豐，等.一種新型交錯并聯雙向DC/DC變換器[J].中國電機工程學報，2013，33(12)：39-45.

[9] 王蕊，楊玉崗，李娜.交錯并聯Buck變換器本質安全的研究[J].電力電子技術，2011，45(7)：117-120.

[10] 楊玉崗，祁鱗，李龍華.交錯并聯磁集成Buck變換器本質安全性輸出紋波電壓的分析[J].電工技術學報，2014，29(6)：182-188.

[11] 王擎宇，龔仁喜，秦麗文.并聯Buck DC/DC變換器的分布式混雜建模與優化控制[J].中國電機工程學報，2016，36(5)：1136-1343.

作者信息：

陳顯東1，曹太強1，2，黎凡森1

(1.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039；2.流體及動力機械教育部重點實驗室(西華大學)，四川 成都610039)