改進(jìn)型交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的通道控制

楊玉崗，關(guān)婷婷，趙若冰

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島125105）

近年來，為了擴(kuò)容和改善傳統(tǒng)開關(guān)電源變換器的穩(wěn)態(tài)工作性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)逐漸應(yīng)用到開關(guān)電源中[1-3]。由于變換器帶載情況多變，當(dāng)負(fù)載逐漸減小時(shí)，若并聯(lián)工作的變換器相數(shù)較多，開關(guān)損耗會(huì)較大，導(dǎo)致變換器在輕載時(shí)的效率很低。文獻(xiàn)[4-6]提出控制交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器的工作通道數(shù)的方法來解決這一問題，但未對交錯(cuò)并聯(lián)的控制方法進(jìn)行更進(jìn)一步研究，無法大幅提高變換器輕載效率，且減少導(dǎo)通通道數(shù)后，電流紋波顯著增大，基本喪失了交錯(cuò)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。

本文以4通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器為研究對象，提出一種改進(jìn)型交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的通道控制方案，在改變導(dǎo)通通道數(shù)的同時(shí)，也改變各通道的相位。通過優(yōu)化減少導(dǎo)通通道數(shù)的變換器，使制約直流變換器發(fā)展的關(guān)鍵問題即輕載效率偏低得到根本解決，且控制能夠達(dá)到交錯(cuò)并聯(lián)的控制要求。負(fù)載逐漸增加和減少兩種情況下，工作過程和結(jié)論基本一致。本文以負(fù)載逐漸較少情況為例進(jìn)行分析，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和方案的可行性。

1 通道控制原理

N通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器如圖1所示，采用N個(gè)Buck變換器并聯(lián)在一起，控制脈沖交錯(cuò)相位2π/N?？傒敵龉β什蛔?，每一通道承受的功率減小，總電感電流脈動(dòng)頻率提高了N倍，使得輸出電流紋波也相應(yīng)地變小，故可以選參數(shù)較小的電感和電容，在大功率密度場合，使用該技術(shù)，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)每一通道的參數(shù)。

圖1 交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器Fig.1 Interleaved Buck converter

圖2是基于損耗模型的導(dǎo)通通道選擇流程圖。由文獻(xiàn)[7]可知，交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器導(dǎo)通通道數(shù)改變，變換器的各部分損耗顯著變化，導(dǎo)通通道數(shù)增加，開關(guān)損耗降低，導(dǎo)通損耗增加；反之，變換器的導(dǎo)通通道數(shù)減少，變換器的導(dǎo)通損耗降低，同時(shí)開關(guān)損耗隨之增加。因此有必要在不同的負(fù)載電流下選擇合理的導(dǎo)通通道數(shù)來均衡各部分損耗，即當(dāng)變換器輸出電流下降時(shí)，通過減少其導(dǎo)通通道數(shù)來減小開關(guān)損耗，但這是導(dǎo)通損耗增加，當(dāng)N通道變換器的損耗大于N-1通道變換器的損耗時(shí)，減少導(dǎo)通通道數(shù)，可以合理地減少變換器的損耗，有效提高變換器的輕載效率[8]。

圖2 基于損耗模型的導(dǎo)通通道數(shù)選擇Fig.2 Selection of the number of conduction phases based on the loss model

采用saber軟件對4通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器進(jìn)行仿真。設(shè)變換器的最大負(fù)載電流為40 A。當(dāng)負(fù)載電流減小到30 A時(shí)，關(guān)閉1個(gè)導(dǎo)通通道，剩余3個(gè)通道繼續(xù)導(dǎo)通，以此類推，20 A時(shí)2通道導(dǎo)通，10 A時(shí)單通道導(dǎo)通。通道控制過程中輸出總電流和相電流變化仿真結(jié)果如圖3所示，圖3（b）、（c）、（d）、（e）分別為對應(yīng)的電流放大波形。由圖可見，通道控制后，2通道導(dǎo)通和3通道導(dǎo)通的變換器輸出電流紋波顯著增大，由此，基本喪失了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 輸出電流紋波與相電流分析Fig.3 Analysis of output current ripple and phase current

2 改進(jìn)型通道控制原理

變換器導(dǎo)通通道數(shù)減少后，改變變換器控制脈沖的相位[9]，調(diào)整各通道間相位差，使其隨著變換器導(dǎo)通通道數(shù)的變化發(fā)生改變，將變換器在通道控制下實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，減小電流紋波，提高變換器轉(zhuǎn)換效率及性能。

當(dāng)變換器工作在滿載狀態(tài)時(shí)，4通道Buck變換器中每一通道均處于工作狀態(tài)，4個(gè)通道的主開關(guān)管依次導(dǎo)通，如圖4所示，各通道流過的電流為額定電流的25%，使其導(dǎo)通相位相差90°，便可滿足交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的要求。

圖4 4通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.4 Main switch tube conduction diagram of fourphase interleaved Buck converter

當(dāng)負(fù)載電流從滿載降至額定負(fù)載電流3/4時(shí)，各通道流過的電流均降低，達(dá)不到滿載時(shí)的工作效率，此時(shí)關(guān)斷其中1條通道，把導(dǎo)通通道數(shù)減至3，各相流過的電流重新達(dá)到額定電流的25%，這時(shí)改變各通道的相位，使導(dǎo)通角相差120°，如圖5所示。

圖5 3通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.5 Main switch tube conduction diagram of threephase interleaved Buck converter

當(dāng)負(fù)載電流從額定值的3/4降至1/2時(shí)，控制方法同上，再將1條導(dǎo)通通道關(guān)斷，使其導(dǎo)通通道數(shù)減至2，各通道流過的電流重新達(dá)到額定電流的25%，這時(shí)各通道的相位再次發(fā)生變化，導(dǎo)通角相差180°，如圖6所示。這里需要注意的是，減少導(dǎo)通通道數(shù)的過程中占空比D=Vo/Vin是始終保持不變的，即保持變換器的輸入輸出電壓不變。同理，當(dāng)負(fù)載電流降至1/4額定負(fù)載電流時(shí)，需要繼續(xù)減少導(dǎo)通通道數(shù)至單通道導(dǎo)通。

圖6 2相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器主開關(guān)管導(dǎo)通圖Fig.6 Main switch tube conduction diagram of twophase interleaved Buck converter

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對改進(jìn)型通道控制4通道交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器進(jìn)行仿真得到相電流（電感電流）波形和輸出電流紋波如圖7所示。對比圖3可知，變換器導(dǎo)通通道數(shù)改變時(shí)，調(diào)制控制脈沖的導(dǎo)通角度，相電流波形不變，3通道導(dǎo)通和2通道導(dǎo)通時(shí)電流紋波顯著減小，體現(xiàn)了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)規(guī)格為：Vin=12 V，Vout=3 V，各通道的額定輸出電流Iout=8 A，工作頻率fS=150 kHz，每個(gè)電感5匝線圈，分立電感L1=L2=L3=L4=L=2.48 μH，開關(guān)管分別為HUF76145和HUF76143，輸出電容C2=1.5 mF。本文設(shè)計(jì)的變換器采用TMS320F2812作為控制芯片，控制電路的設(shè)計(jì)主要是對變換器進(jìn)行信號采樣、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)，對變換器的輸出電壓進(jìn)行采樣用于閉環(huán)控制，對總輸出電流進(jìn)行采樣。負(fù)載變動(dòng)情況以輸出電流為基準(zhǔn)，通過檢測輸出電流來衡量，所以準(zhǔn)確地測量輸出電流是通道控制的關(guān)鍵。為了使變換器在進(jìn)行通道數(shù)切換時(shí)不產(chǎn)生振蕩，在切換點(diǎn)（由文獻(xiàn)[7]中公式計(jì)算的）處采用滯環(huán)方法。實(shí)驗(yàn)所得效率曲線和實(shí)驗(yàn)波形分別如圖9和圖10所示。

圖7 改進(jìn)后輸出電流紋波與相電流分析Fig.7 Analysis of improved output current ripple and phase current

圖8 實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)Fig.8 Experimental circuit system

由圖9中的通道控制所得效率曲線可見，采用通道控制可以提高變換器輕載效率，拓展高效率運(yùn)行區(qū)間。圖10（a）為4通道導(dǎo)通的輸出電流紋波，可見4通道交錯(cuò)并聯(lián)能顯著減小輸出電流紋波，同時(shí)改進(jìn)前后4通道導(dǎo)通輸出電流紋波不變；圖10（b）為單通道導(dǎo)通的輸出電流紋波，同時(shí)也是相電流，可見，在改進(jìn)前后的通道控制過程中電流紋波和相電流波形不發(fā)生改變；圖10（c）、（d）為改進(jìn)前后 2 通道導(dǎo)通的輸出電流紋波，圖10（e）、（f）為改進(jìn)前后3通道導(dǎo)通的輸出總電流紋波，可以看出，改進(jìn)后3通道導(dǎo)通和2通道導(dǎo)通時(shí)輸出電流紋波顯著減小，保留了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析一致。計(jì)算得不同導(dǎo)通通道數(shù)時(shí)輸出電流紋波值分別為：4通道時(shí)1.305 A；3通道時(shí)2.016 A；2通道時(shí)4.032 3 A；單通道時(shí)8 A，可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致。

圖9 效率曲線Fig.9 Efficiency curves

圖10 實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms

4 結(jié)語

本文提出了一種改進(jìn)型交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的通道控制方案，通過對比原有通道控制方案，對其原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，以此為基礎(chǔ)，通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型通道控制方案應(yīng)用在4相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器中能夠減小輸出電流紋波，保留交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能夠減小電流紋波的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化變換器性能；同時(shí)，拓寬了變換器的高效運(yùn)行區(qū)間，提升了輕載時(shí)變換器的電能傳輸效率。