耦合电感在交错并联断续Buck变换器中的应用研究

卢 迪，姚国顺，李陆军，3，陈 辉

（1.空军预警学院研究生管理大队，湖北 武汉430019；2.空军预警学院，湖北 武汉430019；3.93975部队，新疆 乌鲁木齐830000）

0 引 言

Buck变换器是一种最基本的变换器，广泛应用于动车组、火车等的辅助电源系统中。这些应用场合通常存在高功率、大电流的特点，应用交错并联技术可以减小输入电流纹波，降低开关损耗，提高变换器的效率。

虽然Buck变换器通过交错并联可以降低开关损耗，但变换器仍然工作在硬开关状态，存在较严重的二极管反向恢复问题，导致开关损耗的增加和较严重的EMI问题。对于单路，目前抑制Buck变换器续流二极管反向恢复的方法有两种：一种是选择使用碳化硅（Si C），另一种是电路采用断续（DCM）工作模式。但在目前技术条件下，碳化硅二极管功率级比较低（IM≤20 A），不利于功率变换器的提升。DCM工作模式下，输出滤波电容值太大，同功率条件下，开关器件的电流应力过大。

综合上述问题，本文提出采取Buck变换两路交错并联方式，两路变换器通过耦合电感并联输出，单路电感的电流工作在DCM状态，这样既克服了续流二极管的反向恢复问题，又可以扩大功率范围，降低输出电压纹波。

本文介绍的交错并联Buck变换器占空比小于0.5。文中分析了电路工作原理，最后通过实验验证了上述分析的正确性。

1 工作原理

1.1 电路结构

图1给出了交错并联Buck变换器主电路图，L1和L2为耦合电感，M为耦合系数。

图1 带耦合电感的两路交错式Buck变换器

1.2 工作原理

变换器工作在断续模式比较复杂，不能一一分析。为便于分析设计，以临界状态Buck变换器为例，说明耦合电感在Buck变换器中的工作原理。

（1）t0～t1阶段

VT1导通，电感L1电流上升，VT2关断，电感L2经VD2续流。如图2（a）所示。根据电路原理，可得出如下公式：

由式（1）可得t0～t1阶段的等效电感：

（2）t1～t2和t3～t4阶段

VT1和VT2关断，L1、L2处于续流阶段。如图2（b）、（d）所示。

由式（3）可得t1～t2和t3～t4阶段的等效电感：

（3）t2～t3阶段

VT1关断，电感L1续流，VT2开通，电感L1电流上升。如图2（c）所示。

由式（5）可得t2～t3阶段的等效电感：

2 性能分析

图2 交错并联Buck变换器各阶段工作状态

图3 耦合电感电流波形

本文只对D＜0.5下的交错并联Buck变换器（工作在临界状态）进行了仿真，从图3可以看出，稳态电流纹波是由等效电感Leq1决定的，可以发现当M＞0时，总存在Leq1＜L，这造成了很大的电流纹波；而当M＜0时，总存在Leq1＞L，稳态电流纹波减小。根据Leq1＞L的条件，结合等式（2）可推出：

文献［1］指出Leq2为瞬态等效电感 ，为取得快速的瞬态响应，Leq2应该小一些。由等式（4）可以看出，只有在M＜0时，Leq2＜L。

上述分析可知，对于交错通道之间的耦合电感，其稳态和动态性能是由不同的耦合电感决定的，通过调整对应的耦合电感可以改善稳态和动态性能。

3 参数设计

（1）磁芯设计

利用中柱气息大小改变耦合系数的耦合电感的结构如图4所示。

图4 耦合电感结构

耦合电感的磁路模型如图5所示。

图5 耦合电感磁路模型

R1、R2为铁芯两外柱的磁阻，R1＝R2＝R，RC为中柱磁阻，N1、N2为绕组匝数，N1＝N2＝N。

对于铁氧体磁芯，大部分阻值在气隙中，通过调整气隙大小或者密度，改变外柱、中柱的磁阻，得到合适的电感值和耦合系数。

（2）电感设计

根据磁芯的耦合系数、占空比等参数算出各阶段的等效电感Leq1、Leq2、Leq3。求出一周期中的平均电感LA。

依据式（9）可以求出相应的电感范围，保证电路工作在断续状态。

4 实验结果

根据上述分析，文中设计了耦合电感，并制作了实验样机。磁芯为Philips公司的E18／4／10，输入电压为35 V，开关频率为20 k Hz，负载为2.8Ω，占空比D＝0.2，耦合电感L1＝76μH，L2＝76.5μH，耦合系数为－0.26。

图7波形验证了图3仿真的正确性，可以看出纹波有所减小，电路的瞬态性能得到提高。

图6 耦合系数为0时的单路电流波形

图7 耦合系数为－0.26时的单路电流波形

图8 耦合系数为0时的双路电流波形

图9 耦合系数为－0.26时的双路电流波形

5 结 论

本文设计的交错并联Buck变换器，仿真实验波形达到了预期的效果，验证了理论分析的正确性。电感电流波形纹波小，瞬态响应快，有助于改善电路的稳态和瞬态性能。

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