张欣欣，张东青，王 哲，马荣波，张文雄

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

在现代科学技术高速发展的当下，开关电源的创新愈加迅速。开关电源发展的大体趋势是低压大电流。开关电源主要以 MOSFET、IGBT、SIC、GaN 等[1]作为开关器件，高频化是其发展的方向。高频化最重要的优点是大大减小了电感电容的体积，从而减小了整体体积，提高了整体的功率密度。就降压电路Buck 而言，传统Buck 电路输出电压纹波较大、功率密度低。为解决这些弊端，提出交错并联式Buck，有效减小了输出电压纹波，提高了功率密度，降低了开关器件的应力要求，为Buck 在大电流场合工作提供了新的应用思路。

1 交错并联Buck 变换器的简单介绍

文中仅以占空比不大于50%的连续情况下的工作过程为例进行介绍。电感电流连续时有4种工作状态[2]，如图1 所示。

图1 连续模式下的4 种工作状态

电路中，由于两路驱动信号互补，此时两路电感一路充电、一路放电。带同样大小负载时，使得流过电感L1、L2以及主电路开关管上的电流减小为原来的一半，降低了开关管的通态损耗、电感以及输出电容的容量。

图2 为交错Buck 正常工作时的具体过程分析的电路图。0 ＜D＜0.5 时的主要工作波形图，如图3 所示。

图2 具体工作过程分析

图3 0 ＜D ＜0.5 时的主要工作波形图

假设当L1处于储能状态、L2处于放能状态时，有：

所以，两路纹波电流分别为：

此时，总的输出电流纹波为：

f表示频率。可知，输出电流纹波要比传统Buck变换器纹波要小。交错并联Buck 电路还可以降低输出端电容电流的有效值。如图4 所示，在传统Buck 电路与交错并联Buck 电路拓扑中，输出电容电流有效值与占空比的关系分别为[3]：

图4 输出电容电流有效值与占空比的函数关系

图4 为Buck 电路与交错Buck 电路输出端电容电流与占空比的关系。由图4 可知，交错并联Buck 拓扑与传统降压型Buck 拓扑相比，电容电流脉动最大值减小了一半左右，这在图3 电容电流的波形图里也有所体现。在交错并联Buck 拓扑中，流过交错Buck 的电感电流为总输入电流的一半。Buck 电路与交错并联Buck 电路储存的能量可以表示为：

比较分析可以得出，交错并联Buck 的一个电感储能是Buck 中电感储能的一半[4]。对于输出电压纹波，由于所以：

对于交错并联Buck 而言，假设电感L1储能、L2放能时总输出电流纹波为式（12），L1放能与L2储能结果与以上结果相同，当两个电感都处于放能阶段时，有：

由式（11），可得：

由于电路输出频率变为传统Buck 电路2 倍，推导可得[5]：

由于0 ＜D＜0.5，因此由式（10）与式（14）可知，输出电压纹波变小。由于输出电流纹波频率提高，因此交错并联Buck 还降低了对滤波电容和电感的要求，进而提高了整体的功率密度。

2 仿真验证

为检验理论性分析，对Buck 电路和交错并联Buck 电路分别用Simulink 进行仿真对比。交错Buck电路主要参数设计为：输入电压UIN=12 V，输出电压Uo=5 V，电感L=1 mH，输出端电容C=1 000 μF，输出电阻R=1 Ω，此时负载为5 A，开关管使用mosfet，最大步长为1e-6，仿真时间均设置为0.5 s，做成PI 闭环仿真。

图5 Buck 仿真电路

图5 为Buck 电路仿真图形，图6 为交错并联Buck 电路仿真图形。

图7 为在设定参数下Buck 电路输出电压波形。由图7 可知，Buck 纹波范围大概是4.98～5.005 V，一个周期内峰值与幅值相差20 mV 左右。

图6 交错并联Buck

图7 Buck 输出电压纹波

图8 为在设定参数下交错Buck 电路输出电压波形。由图8 可知，交错Buck 纹波范围是4.998～5.002 V，一个周期内峰值与幅值相差10 mV 左右。

图8 交错Buck 输出电压纹波

图9 为在设定参数下Buck 电路输出电流波形，Buck 电路输出电流纹波范围为4.8～5.2 A，一个周期内峰值与幅值相差0.4 A 左右。

图9 Buck 电路输出电流纹波

交错Buck 输出电流纹波范围为4.95～5.05 A，一个周期内峰值与幅值相差0.1 A 左右。

对比图7 与图8 可知，发现和理论分析相符，交错Buck 电压输出纹波小于Buck 电压输出纹波。对比图9 与图10 可以发现，交错Buck 输出电流纹波小于传统Buck 电路输出电流纹波，与理论分析时由于两路电感工作方式不同导致纹波抵消的结论相符。由图10可以看出，输出电流有效值为5 A，而流过两个开关管电流大致为2.5 A，证明了交错Buck 电路减小了开关管的电流应力。

图10 交错并联Buck 输出电流纹波

3 实验验证

图11 为Buck 电路实物图，图12 为交错Buck 电路实物图。

图11 Buck 电路实物图

图12 交错并联Buck 电路实物图

图13 所得纹波是在交流耦合条件下测得的，此时每个格20 mV，纹波波动范围为-20～10 mV，峰峰值为30 mV。

图14 所得纹波是在交流耦合条件下测得的，此时每个格为100 mV，纹波波动范围为-100～100 mV，峰峰值为200 mV。

实验验证中，以SG3525 为控制芯片，开关管选择Mosfet75n75，开关频率均设为62.6 kHz，分别制作了Buck 电路和交错Buck 电路进行实验验证。在输入电压为12 V、输出电压5 V 时，用示波器测定两种拓扑输出电压纹波，发现交错并联Buck 的输出电压纹波小于传统Buck 电路。可见，实验结果与仿真及理论分析一致，验证了交错Buck 的优点。

图13 交错并联Buck 电路输出电压纹波

图14 Buck 电路输出电压纹波

4 结 论

将交错并联Buck 电路与传统Buck 电路在占空比0 ＜D＜0.5 的工作情况下进行对比，可以发现交错Buck 电路输出电压纹波和电流纹波都减小了，流过开关管的电流也减小了，进而减小了开关管电流应力，使输出电压纹波和电流纹波更小，功率密度变大，也更适合在大电流条件下工作。