三相交错并联Boost+DCDC变换器设计与研制.pdf

1、第4 0 卷第2 期2 0 0 6 年4 月电力电子技术P o w e rE l e c t m n i c sV 0 1 4 0 N o 2A p r i l，2 0 0 6三相交错并联B o o s tD C D C 变换器设计与研制胡炎申，谢运祥(华南理工大学，广东广卅I5 1 0 6 4 0)摘要：电压调整模块(V o l t a g eR e g u l a t o rM o d u l e，简称v R M)广泛使用多相交错并联技术，以实现快速的动态响应且极大地降低输出电流纹波。本文以一个大功率的三相交错并联B o o s t 变换器作为设计实例，详细说明了其工作原理及主要器件的设计

2、与选用；论证了该项技术用于B o o s tD c，D c 变换器的多种优点。从而证明了多相交错并联技术的先进性和实用性。关键词：电源：变换器，通信电源；分布式电源中图分类号：T M 4 6。T N 8 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 l O O X(2 0 0 6)0 2 0 0 4 5 0 3D e s i g na n dI I I I p l e m e n to f3 C h 锄e l sI n t e r l e a v e dB o o s tD C，D CC o n v e r 钯rH UY a n s h e n。X I EY u n-x i a n g(S o n

3、 琥醌i M 洳瑙蚵矿死c 加妞y，G 姗够 伽5 1 0 6 4 0，蕊讹)A b s t n c t：V R M(V o l t a g eR e g u l 撕M o d I l l e)w i d 由u s e st l l e 溉l l l l j q u eo fm u l t i c h a l l l l e ki n t e r l e a v e di no I d e rt 0g e tq u i c kd)r I l 锄i c 麟p o n s e 蚰dl o w e ro u t p u tr i p p l ec u 鹏n t T h eo p e 枷o nt 1

4、1 e o r y，d 商印a n ds 幽t i 明o f 砌np a n sa I-ed e s c r i b e du s i n gal a r g ep o w 班3-c h a 衄e l si n t e r l e a v e dB o o s tc o n 咖a sa ne x 踟p l e，t od 锄o n s t r a【t et h ea d v 锄t a=g e s0 fB 0 0 s t【，C【Cc o n v e r t e r 埘t I lm u l 石c h 明n e ki n t e d e a v e d 髋h n i q u e，a n dp m v

5、e st I I ea d v a n c e sa n d 畔t i c a l i 移K e yw o r d s：p o w e rs u p p l y；c o n v e I t e】如o m m u n i c a t ep o w e rs u p p 峥；d i s t r i b u t ep v e rs u p p l y1引言通信电源及分布式电源主要由前级高频整流器、中间级电池组和后级D C D C 变换器组成。D C D C 变换器的输入部份通常采用大功率B o o s t 变换器，以将前级与中间级的直流电压提升至一定的幅度，从而更方便地形成所需提供给负载的各种电压。

6、I N T E LC P U 广泛用于I T 工业。但其对电源的要求越来越严格，需要提供更低的电压，更大的电流及更快的动态响应。为了改进B u c k 类型电压调整模块(V o l t a g eR e g I l l a t o rM o d u l e，简称V R M)的动态响应要求。需迸一步减小主电感及输出滤波电容，因而美国电力电子系统中心1 9 9 7 年提出了基于多相交错并联B u c k 变换器的V R M f l 2】。后来业界广泛采用了这一思想提出了多种控制模式的专用芯片，并已陆续证明这是一种较好的电路结构【3 l。不但能改进动态响应，降低输出电流纹波，而且也提高了效率，改进了

7、热设计。传统的B o o s t 变换器需要使用大而笨重的主电感，这是变换器最重的一个器件，在电路板上不易安装，并增大了变换器的体积，造成电路板的机械负荷增大。在一定程度上也降低了工作的可靠性。当输入定稿日期：2 0 0 5 一0 8 2 2作者简介：胡炎申(1 9 7 4 一)，男，湖北大冶人，硕士研究生。研究方向为高频开关电源磁集成与小信号建模技术。电流较大时B o o s tP F C 的变频电流断续模式的多相交错并联技术与常规Z V S 和Z C S 软开关电流连续模式拓扑相比，在工作效率、成本等方面都具有较多的优点f 4】，但其开关管电流应力较大。为了克服上述弱点，本文将多相交错并联

8、技术用于电流连续模式B o o s tD C D C 变换器中，但并未从改进动态响应的观点出发，而是以减小电流纹波，改进工作效率等为目的。同时从多方面说明了这种拓扑在工业实践中具有的先进性和实用性。2三相交错并联B o o s tD C D C 变换器的工作原理图1 示出的3 个交错并联B o o s tD C D C 变换器均工作在电感电流连续和峰值电流工作模式。除了常规B o o s t 的功率开关管、功率二极管及主电感外，分别有3 套各自相对独立的P W M 产生电路但共用1 套电压误差放大器，以达到较好的均流效果。图l 三相交错并联B o o s t 拓扑在实际电路中。3 套功率开关管

9、、功率二极管及主电感等电气参数完全相同。另外，分别使用3 片U C 3 8 4 3 芯片但仅使用其中一个U C 3 8 4 3 中的电压4 5 万方数据第4 0 卷第2 期2 0 0 6 年4 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 0 N o 2A p r i l，2 0 0 6误差放大器，3 个芯片的p i n。输出信号并联在一起，而其它两个芯片的p i n：均接至地端，这样可共用1套电压误差放大器。另外，为了实现三相交错并联，各相需外加各自错开1 2 0 0 的同步信号，使用一些简单的数字芯片就可达到该功能。图2 示出多相交错并联B u

10、c k 变换器归一化的输出纹波电流i。与占空比D、交错并联相数咖的关系。可见。同步整流B u c k 变换器使用多相交错并联技术能大大降低i 拶，同时也可大大降低输入电流纹波i m 这样，可使用很小的E M I 差模滤波器，而非常n 70 5n 3n IO图2规B u c k 变换器在输入端必须使用非常大的差模电感。因此多相交错并联技术应能达到更好的传导E M I 性能。3 主电感的设计及功率器件的选用由于交错并联的3 套主电路完全对称因而在下述电路设计和器件选用中仅选择一相作为例子。各相的最大输入电流为：五n 1=善生r(1)。T l u h 勰式中尸：。I-一输出功率r 工作效率U。甜一最

11、低输入电压变换器的最大占空比为：D。=l 一警(2)U 式中输出电压3 1 主电感的设计由于B o o s t 变换器工作在电流连续工作模式因此可求得主电感量为：L 删n _ 号豢尝3)式中K 广一电感电流纹波系数疋。一开关频率最大的电流纹波将发生在输入为U 2 处，玑她t 一=等丢砉(4)由于通过电感的平均电流很大所以应适当选择环形铁硅铝磁芯。最大峰值电感电流为：厶l p _，i。l+型警坠(5)电感电流的最大波谷值为：厶。v-，j。广垒缺一(6)磁芯中存储的能量为：n 一生尝(7)选定环形磁芯的填充系数K。瑚=O 3 5，可以根据磁芯截面积与窗口面积的乘积确定磁芯尺寸该面积的乘积为：A 产

12、最孑(8)电感的绕组圈数为：-讥腼私。(9)由式(3)和式(7)可见，若设定三相交错并联与单相普透B o o s t 相同的墨，则前者每相主电感的大小约为后者的1 9。这将大大减小初始大而笨重的电感尺寸。并且三相并联结构均匀分布电感的重量，提高了电路板安装的可靠性。3 2 功率开关管的选用及损耗计算流过功率M O S F E T 的电流有效值为：，珊。=善o、瓦刃孑再忑丽(1 0)JP c。=，啪1 璃也l(。)(1 1)式中R 出，(堋)功率M O S F E T 的漏源极导通电阻功率M O S F E T 的开通损耗为：名。l-丛丛丝喾必(1 2)o式中t，。上升时间关断损耗为：越，：当型

13、薹氢U式中f。下降时间驱动损耗为：民。v M。=Q。，玩矗式中以，一驱动信号的幅度Q g J 栅极电荷3 3 功率二极管的选用及损耗计算流过功率二极管的电流有效值为：k。=!丢哳F 瓦汉瑶砸五丽流过功率二极管的电流平均值为：，一(厶l v-厶1 p。_，L l。D。+厶1。)A V Gv I)l 一一二P c。v o l-，忧v I)1 yF l式中y r t 功率二极管的导通压降4 实验结果及其分析设计并研制了一台B o o s tD C D C 通信电源。其基本电气参数：输出功率P 叫=5 9 0 W，=6 6 V，最低以。晡n _ 2 0 V，最高输入电压。-6 0 V，厶=1 5 0

14、k H z，并联相数西-3，取K 产3 0，电流密度乒6 从n m 2。在以。=2 0 V 时，i。l=9 9 A，D。=0 7，厶l。：5 1 A，厶I。=1 1 9 5 A，厶l 产7 7 2 A，厶向n _ 2 5“H。选用环形铁硅铝磁芯2 3 4 0 9 0，其A f=7 6 n H，则由计算得出=1 8。功率开关管的电流有效值为8 2 6 9 A：功率二极管的电流有效值为5 4 5 2 A，且其电流平均值为2 9 7 9 A。功率开关管选用I R F B 4 7 l O。其R d s l(。)=1 4 m Q，Q g l=1 7 0 n C，C。l=4 4 0 p F，t，l=1 3

15、 0 n s，t。=3 8 n s。由此可得，导通损耗为1 6 8 W；开通损耗为、，、，、，、，、，好M坫怕LLLL，L 万方数据三相交错并联B 0 0 s tD C D C 变换器设计与研制2 7 4 8 W；关断损耗为0 7 6 W；驱动损耗为0 3 4 4 W；三相功率开关管的总损耗为1 6 2 1 3 W。功率二极管选用S，I P S 2 0 H 1 0 0，其y F l-0 7 7 V，由此可得其开通损耗为2 2 9 4 W；三相功率二极管的总损耗为6 8 8 l W。图3 分别给出以n _ 2 0 V 和U n _ 6 0 V 时的驱动信号“。和电感电流如，的实验波形。通过实验可

16、知，由于三相波形错开1 2 0。，驱动信号稳定，且达到了较好的均流效果，在U。=2 0 V 情况下，各相之间的屯差异仅约为0 2 A，i i。也大大降低。电感电流纹波比计算值略大，主要原因是：(驼0 V 只是显示的U。嘶但该电压实为输入端试验电源的输出电压。考虑线损等其它因素，B o o s t 变换器输入端的实际电压估计约为1 9 5 V；由于采用铁硅铝磁芯。其M 值受磁化力日的影响很大，在U。耐。的情况下，屯较大，造成磁芯的有效u值下降该数值估计在初始值的7 5 左右。蛙芝罩蛙芝=1mf：I。ll：；If -：k；L9。；n i：一，、o-，L l-“难芝苞廷 l呈主口，7 M H 2(c

17、)l5 0 k H z 一3 0 M H 2图4 与町的曲线和不同频段下的传导E M I 曲线5 结论更高的可靠性、更大的功率密度及更高的工作效率是通信电源的发展趋势。本文设计与研制了一台输出功率为5 9 0 W 的B o o s tD C D C 变换器通过采用多相交错并联的方法，可不再使用大而笨重的常规电感，输出仅使用4 个并联的2 2 0 斗F 铝电解电容：但在低至2 0 V 的直流输入电压下达到超过9 2 的工作效率：且因能使用更小规格的功率器件，在一定程度上提高了整机的可靠性：同时降低了输入电流纹波，可达到更好的电磁兼容性能。参考文献 1】x u n w e iZ h o u，x i

18、 n g z h uz h a n g，F T e dcL e e，e fd I n v e s t i g a t i o no fC a n d i d a t eV R MT 叩o l o g i e sf o rF u t u r eM i c r o p T o c e s s o r s【A】I E E EA P E C 9 8 C】1 9 9 8：1 4 5 1 5 0 2】PX u，XZ h o u，PLW o n g，e 以D e s 咖a n dP e 而瑚a n c eE v a l u a t i o no fM u l t i-c h a n n e lI n t e

19、 d e a v e dQ u a s i s q u a r e w a v eB u c kV o l t a g eR e g u l a t o rM o d u l e A】i nP m c H F P C 2 0 0 0【C】2 0 0 0：8 2 8 8【3】Px u，xZ h o u，Pw o n g，e 耐I n t e d e a v e dV R MC u t sR i p-p l e，I m p m v e sT r a n s i e n tR e s p o n s e【A】P C I MP o w e rE l e c t r o n i cS y s t e m

20、 s C 2 0 0 1：7 0 7 8 4】B r i a nTI r v i n g，Y u n 昏a e kJ a n g，M i l a nMJ o v a n o V i c AC o m-p 啪t i v eS t u d yo fS o f t S w i t c h e dC C MB o o s tR e c t i f i e r sa n dI n t e d e a v e dV a r i a b l e-F r e q u e n c yD C MB o o s tR e c t i f i e r A】I E E EA P E C 0 0 C】2 0 0 0：1 7 1 1 7 7【5 PX u M u l t i p h a s eV o l t a g eR e g u l a t o rM o d u l e sw i t hM a g n e t i cI n t e g r a t i 彻t oP 0 w e rM j c r o p r o c e s s o r s D】D i s s e r a t i 彻o fV i 蛹n i aP o l y t e c h n i cI n s t i t u t ea n dS t a t eU n i v e r s i t y，2 0 0 2 4 7 万方数据