具有连续出入电流，极低的输出电流纹波，低开关损耗并能提高降转换比例的交错降压转换器外文翻译资料

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具有连续出入电流，极低的输出电流纹波，低开关损耗并能提高降转换比例的交错降压转换器

摘要

本文提出了一种具有连续输入电流，极低输出电流纹波，低开关损耗并能提高降压转换比例的交错降压转换器（IBC）。与传统的IBC不同的是，所提出的转换器具有连续的输入电流，而且其输出电流纹波极低。与传统的IBC相比，所提出的低压降转换器也能提供高压降，这使得它在需要低输出电流纹波和连续输入电流的非分离降压转换器大功率应用中是一个好的选择。此外，所提出的转换器可以提供两个交错模块之间的电流分配，而无需使用附加的共用电流控制方法。所有的这些优点都不是通过电路组件的任何额外压力获得。这个理论分析的验证由一个200-V输入，24-V 10-A输出的原型转换器实现。本文提出了它的工作原理和实验结果。

关键词：降压转换器，低压转换器，降压转换比例

1. 介绍

交错式降压转换器（IBC）被广泛的用作一种非隔离降压，高输出电流，低输出电流纹波并具有控制简便和结构简单的转换器[ 1 ]- [ 7 ]。虽然图1所示的常规IBC有配电、纹波电流消除，快速瞬态响应和被动元件尺寸的减小的优势，它也存在一些缺点。高电压元件存在高导通电阻、高电压跌落、高输出电容、高成本的问题。由于开关和二极管的电压应力高，使得IBC具有较高的开关损耗，同时对二极管反向恢复时间也产生损害[8]。同时，对于高输入电压和高降压应

图1. IBC转换器

用，IBC设有极其小的占空比（D），特别是在高开关频率[ 9 ]下有很短的调整期。此外，在小的占空比下，开关的峰值电流也会随之增加；除了峰值电流增加的损失，输入电流纹波和输入滤波器的大小也会增加。虽然一般的应用控制芯片可以产生高度一致的多通道脉宽调制（PWM）信号，但是由于驱动电路和功率开关的参数差异[ 10 ]导致占空比的不匹配是不可避免的。因此，在IBC，如果两交织模块的工作周期有点不匹配，根据这个观点，输入和输出是共同的，并且转化率等于D，高D模块工作在电感电流连续模式（CICM），但其他人会采用自动操作电感电流模式（ICM）以平衡两模块的增益。这会使得2个交错的模块之间的电流分配变得不平衡。因此，电流分配对不匹配的占空比[ 11 ]十分敏感。

燃料电池板和铅酸电池的寿命取决于其所绘制的电流的纹波，而纹波必须非常低[ 12 ]，[ 13 ]。标准转换器的主要缺点是它保证低电流纹波所需的高电感值会导致较高电感损耗[ 14 ]。为了减少电流纹波，并联转换器与交错控制是一个有吸引力的技术[ 15 ]。然而，传统的IBC在CICM仍然有脉冲输入电流。

在文献[16]中，介绍了一种绕组耦合降压转换器采用匝比延长工作周期高降压转换应用。因此，开关电流和电压应力的开关通过调整的耦合电感的匝数比减少。然而，它的结构很复杂。一个新的低开关损耗和提高降压转换率的IBC在文献[ 17 ]提及。在开关和二极管的电压应力是一半的输入电压后开启和关闭。然而，一个开关的电压额定值超过了输入电压，尽管是交错结构，输入电流有效值还是较高的。在文献[18]中，提出了一种交错高降压转换率转换器。传统的IBC的电压转换率是四分之一。然而，该转换器具有四个有源开关，用于两相交错的阶段，其中三个必须达到额定输入电压的一半以上。多相耦合的Buck变换器利用大占空比来回收泄漏的能量和钳位MOSFET的电压的操作方式在[19]中有提及。然而，这种转换器的结构是复杂的。

在文献[9]中介绍了一种带抽头的具有高阶直流-直流转换的电感器降压转换器。该转换器不但能扩展占空比，还使用了一个简单的引导栅极驱动。虽然无损缓冲电路能应用于解决漏电感的相关问题，但转化率有限。同时，该转换器承受高降压应用高输出电流纹波，也需要交错连接的几个模块。在文献 [20]–[22]中，提出三电平降压转换器能降低开关电压应力。然而，很多成分是IBC中所需求的。在文献[23]中提出了一种新的有效的零电压软开关条件的降压转换器。谈到了ZVS操作的负荷变化。然而，如此多的组件需要转换器的交错使用。

本文介绍了一种适用于输入电压的新IBC的拓扑结构，它有高压降和低输出电流与连续输入电流的非隔离应用程序。在稳定状态下，开关的电压应力低于输入电压，因此开关和电容导通损耗降低。续流二极管的电压应力也低于传统的IBC，所以快速肖特基二极管可以用以降低反向恢复问题。转换器的转换率低于传统的IBC；因此，开关工作周期可以延长，降低峰值电流。即使使用一个非常小的电感器，转换器的输出电流纹波也是相当低的。不同于其他产品，该变换器的输入电流是脉动。建议的转换器也不需要任何额外的电流共享控制模块。所提出的转换器几乎抑制了模块的占空比的不匹配的影响。

所提出的转换器操作在下一节中解释。在第三节中，这个设计将被详细的考虑。在第四节所提供的实验结果中出的转换器的原型实现。

1. 所提出的转换器的工作原理

图2显示了提出的转换器。它类似于一个三电平降压转换器，但两个输入电容器没有彼此连接，而且，在转换器输出阶段有一个辅助电感器。两个有源开关由两个PWM脉冲的相位控制，相角相差180°。在一个开关周期该转换器具有四个不同的操作间隔。图3和4显示了在稳定状态下典型的重要波形的转换器，分别为恒稳态Dlt;0.5和Dgt;0.5。而且，图5和6显示出了所提出的转换器的等效电路的每个间隔的操作。

为了简化分析，提出以下假设。

1. 所有的有源开关和二极管是理想的
2. 电容器C_in1, C_in2和C₀足够大，使得它们的电压变化可以忽略不计。同时，C_in1=C_in2。
3. L₁和L₂的电流是恒定的，且L₁=L₂。

图2. 提及的IBC

图3. Dlt;0.5的转换器的重要波形

图4. Dgt;0.5的转换器的重要波形

状况1：D lt; 0.5

时间段[t0minus;t1]：图5（a）展示了在这个区间内转换器的等效电路。这个区间之前，两个开关是断开的，续流二极管导通，并且给电容C_in1和C_in2充电。在t0时刻，开关Q1闭合，因此D1关断。在这个区间，C_in2通过V_in和L₁充电，C_in1通过L₁-L₀-C₀放电。同时，L₁的电流通过所提到的这两条路径增加。L₂的电流在这种状况下递减。这个区间的电压和电流方程如下：

V_L1(t) =V_Cin1 minus; V_out minus; V_Lo(t) = V_in minus; V_Cin2 (1)

V_Lo(t) =V_in V_out minus; V_Cin1 minus; V_Cin2 (2)

V_L2(t) = minus; V_out minus; V_Lo(t) (3)

I_Lo(t) =I_L1 I_L2 I_in(t) (4)

图5. Dlt;0.5时每个操作模型的等效电路.(a)[t 0 minus; t 1 ]时段模型. (b) [t 1 minus; t 2 ]时段模型. (c)[t 2 minus; t 3 ]时段模型. (d)[t 3 minus; t 4]时段模型

时间段[t1minus;t2]:图5（b）展示了在这个区间内转换器的等效电路。这段时间开始Q1断开，L1的电流连续同时D1导通。电感电流的一部分通过C_in1minus;L₁minus;L_ominus;C_o 流入，另一部分通过V_in minus; C_in1 minus; D₁ minus; L₁ minus; C_in2路径流入。因此，在这段期间，L₁和L₂放电，C_IN1和C_IN2通过V_inminus;C_in1minus;D₁minus;L₁minus;C_in2和V_inminus;C_in1minus;L₂minus;D₂minus;C_in2充电。使用KVL定律在D₁minus;L₁minus;L₀minus;C_O和D₂minus;L₂minus;L₀minus;C₀路径，V_L1和V_L2的方程如下：

V_L1(t) = minus;V_out minus; V_Lo(t) (5)

V_L2(t) = minus;V_out minus; V_Lo(t). (6)

另外，对于V_in minus; C_in1 minus; D₁ minus; L₁ minus; C_in2 和 V_in minus; C_in1 minus;L₂ minus; D₂ minus; C_in2通路，V_L1 和V_L2的方程为：

V_L1(t) =V_in minus; V_Cin1 minus; V_Cin2 (7)

V_L2(t) =V_in minus; V_Cin1 minus; V_Cin2. (8)

因此，V_L0在此回路有：

V_Lo(t) = V_in V_out minus; V_Cin1 minus; V_Cin2 (9)

图6. Dgt;0.5时每个操作模型的等效电路.(a)[t 0 minus; t 1 ]时段模型. (b) [t 1 minus; t 2 ]时段模型. (c)[t 2 minus; t 3 ]时段模型. (d)[t 3 minus; t 4]时段模型

很明显，公式（9）和公式（2）是一致的。根据瞬时电压平衡定理（VSB),在一个转换周期内对电感L₀来说，其电压V_L0有：

V_Lo(t) = 0. (10)

而且，有KCL定律，其电流有：

I_Lo(t) = I_L1 I_L2 minus; I_in(t) (11)

由于操作的2个模块在一个交错的转换器的对称性，间隔3和间隔4的操作与间隔1和间隔2是相似的。

状况2：Dgt;0.5

时间段[t0minus;t1]：图6（a）展示了在这个区间内转换器的等效电路。这个区间之前，两个开关是断开的，续流二极管导通，并且给电容C_in1和C_in2充电。在t₀时刻，开关Q1闭合Q2关断，因此D1关断，D2导通。在这个区间，C_in2通过V_in-L₁-C_in2充电，C_in1通过C_in1-L₁-L₀-C₀放电。同时，L₁的电流通过所提到的这两条路径增加。L₂的电流在这种状况下递减。这个区间的电压和电流方程如下：

V_L1(t) =V_Cin1 minus; V_out minus; V_Lo(t) = V_in minus; V_Cin2 (12)

V_L2(t) = minus; V_out minus; V_Lo(t)

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