交错并联同步整流DC

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1、交错并联同步整流DC-DC变换器的研究Research on a Interleaved DC-DCConverter Using Synchronous RectificationABSTRACT: As the rapid development of power electronics technique, the switch supply have been advanced. It has replaced the linear steady voltage supply and because the most extensive direct current steady vo

2、ltage supply that has been applied. Its determined by the predominant performance of switch supply. Switch supply is consisted of AC-DC and DC-DC. As the work of large scale integrated circuit is normal, VRM is required to decrease low output voltage, continuous to increase output current, and also

3、meets high efficiency, rapid dynamic response etc, in order to meet these needs, low voltage and high current DC-DC converter reflects the development orientation of switching power supply. To optimize the performance of low-voltage/high-current DC-DC converter, it is necessary to enhance its topolo

4、gy and control method. In this paper, synchronous rectifier and the multi-phase interleaved parallel technology are studied, presents a low voltage high current DC-DC converter design. I apply Matlab/Simulink software to simulate the circuit and the results verify the validity of the proposed scheme

5、.KEY WORDS：buck converter，low voltage and high current， synchronous rectifier interleaved，Matlab/Simulink 摘要：随着电力电子技术的飞速发展，开关电源技术不断得 到提高，现在它已经取代线性稳压电源，成为目前最为广泛 使用的直流稳压电源，这主要是由它的优越性能所决定的。 开关稳压电源包括 AC-DC 和 DC-DC 两部分。大规模集成电 路正常工作时，要求 VRM(Voltage Regulation Module) 应 具有较低的输出电压和较大的输出电流，同时还需满足效率 高、动态响应速度快

6、等特点，为了满足上述需求，低压大电 流 DC-DC 变换器成为开关电源的主要研究发展方向。综合 考虑，为了进一步优化低压大电流 DC-DC 的性能，需要不 关键词： Buck 变换器；低压大电流；同步整流；交错并 联；Matlab/Simulink 仿真1 引言随着信息技术的快速发展和广泛应用，为了满 足日益增长的、更加复杂的实时计算要求，今天许 多系统采用了大量的高功率计算芯片，包括 CPU、 FPGA 和存储器等。为了提高计算速度就必然要求 其供电电源工作频率和供电电流相应增加，同时为 了减小能量损耗则要求供电电压反而越来越低，预 计未来设备要求电流超过100A而电压却低于IV。 由于主板

7、空间非常宝贵，要求供电电源体积越小越 好。这样人们对VRM提出了新的挑战：要求VRM 有超快的负载电流响应速度，并且保证输出电压有 相当高的稳定度，同时又要求VRM的功率变换效 率高，尽可能提高开关频率，减小VRM体积，以 适应模块化发展方向，这些性能要求对 VRM 的设 计提出了严峻地挑战，必须通过有效的方式和途径 来解决1-2。在过去的几十年，世界各国的研究人员对低压 大电流 DC-DC 变换器的研究方兴未艾，现在运行 在电压1.5-3.3V、电流40-50A的微处理器已经相 当普通。下面，今后几十年关于电压降低和电流提 高的趋势也在图 1表示出来3。图 1 微处理器今后长期的电压电流走势

8、图断提高它的拓扑结构及控制方法。本文针对同步整流、多相 交错并联及多路均流等技术进行研究，给出了一种低压大电 流 DC-DC 变换器的设计方案，并在 Matlab/Simulink 仿真 环境下采用 PWM 脉冲调制方式和四相相位相差 90的方法 对四相交错并联 Buck 变换器电路进行仿真。结果与期望一 致，达到满意效果。低压大电流 DC-DC 变换器性能优劣是通过它 的技术指标来衡量的，这主要包括：动态响应速度、 尺寸、效率、功率密度等。为了满足以上技术指标 的要求，就需要应用各种方法来完善它们。这些包 括：高频化、同步整流技术、多重多相技术、磁集 成技术、软开关技术等。本文在 Buck

9、型变换器基础上，从同步整流、 多相技术、均流技术三个方面进行研究。利用 Matlab仿真软件的Simulink环境进行四相交错并联 Buck变换器电路的仿真，同时对实验数据及波形进 行分析。2 Buck 型 DC-DC 变换器直流一直流(DC-DC)变换器，又称为直流斩 波器。这种变换器的特点是：利用晶闸管或其他电 力半导体器件为无触点开关，接于电源与负载之 间，控制晶闸管的通断来改变加到负载电路上的直 流电压平均值，从而得到可调的负载电压。通常当输入电压为 5V、12V 时采用非隔离型 的电路拓扑，典型的有Buck变换器，而当输入电 压为 48V 时则采用隔离型的电路拓扑，典型的有 半桥、全

10、桥、推挽变换器等。因此本文主要介绍Buck 型 DC-DC 变换器。UooUii图 2 Buck 变换器基本结构图1)电流连续状态(CCM)一：表示开关管导通的时间，用：汐表示开关管 截止的时间。T表示一个开关周期。 开关导通状态在工作过程中，当开关S导通后，电容C开始 充电，加在R两端的输出电压二开始上升，在C 充电过程中，电感L内的电流逐渐增加，存储的磁场能量也逐渐增加。 开关断开状态经过导通时间:：后，控制信号使开关截止，L 中的电流减小，L两端产生的感应电势使D导通，L中存储的磁场能量便通过续流二极管D传递给负 载。当输出电压二低于电容C两端的电压时，C便 向负载放电，脉冲控制信号又使

11、开关导通，上述过 程重复发生。在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积 的代数和为0。即：电感两端的平均电压为0。J toN (U - U )dt-f 丁 u dt = 0 0 i o t oON(1)(U - U )t二 U tio ONo OFF(2)(U - U )DT = U (1-D)Ti o o(3)tU = -onU = DU o T i i(4)其中D为占空比D0心由式可知，输出电压二与主开关管的占空比D成正比。由于占空比D总是小于1,所以二总是小于二，故常称为降压型开关稳压器。I图 3 CCM 工作模式波形图2)非连续导通模式(DCM)假设用二表示开关管导通的时间，用A T表

12、示1 开关管关断直至电感电流持续下降直到零的时间， 用A T表示电感电流保持为零的时间。2在工作过程中，当控制脉冲使开关导通之后， 电容C开始充电，加到负载R两端的输出电压二开 始上升，电感L内的电流从零开始逐渐增加，存储 的磁场能量也从零开始逐渐增加。此时，续流二极 管D因反向偏置而截止。经过导通时间DT,以后开关管截止，L中的电流减小,L两端产生的感应电 势使D导通，L中存储的磁场能量便通过续流二极 管 D 传递给负载。当负载电压低于电容 C 两端的 电压时，C便向负载放电。经过关断时间A T以后，1电感中的电流减小到零，电感中没有能量的存储， 完全靠电容 C 对负载放电维持输出电压。此时

13、，续 流二极管 D 因反向偏置而截止，故电感中不会出 现反向电流。在经过A T后，控制脉冲信号又重新2使开关导通，上述过程重复发生。的负端，相当于二极管的阴极K；当功率MOS管 在门极G信号的作用下导通时，电流由源极S流向 漏极D。功率MOS管作为开关使用时，漏极D接 电源正端，源极S接电压负端；导通时，相当于开 关闭合，电流由漏极D流向源极SoD漏极图4 DCM工作模式波形图G甘门极源极SK阴极阳极A(a)电路图形符号同理 CCM 情况Su +点uR(U - U )DT = A TUi o 1 o5)i(6)式(6)即为Buck型开关电源工作于非连续导通o T/2 T+uo T/2 Tb)

14、半波整流电路原理图模式时输入电压和输出电压之间的直流关系。具体图 5 同步整流管和整流二极管Ai表达式不在此表示。3 同步整流技术传统的整流电路采用功率二极管，由于二极管 的通态电压降较高，因此整流损耗成为变换器的主 要损耗,已无法满足低电压大电流开关电源高效率、 小体积的需要。 MOSFET 导通电阻低、开关时间短、 输入阻抗高,成为低电压大电流功率变换器首选的 整流器件。根据 MOSFET 的控制特点,产生了同步 整流这一新型的整流技术。3.1 基本工作原理5下图所示为N沟道功率MOS管构成的同步整 流管SR和SBD整流二极管的电路图形符号，整流 二极管有两个极：阳极A和阴极K。功率MOS

15、管 有三个极：即漏极D、源极S和门极G。在用作同 步整流时，将功率MOS管反接使用，即源极S接 电源正端，相当于二极管的阳极A；漏极D接电压当SR的门极驱动电压：庄与正弦波电源电压u 同步变化时，则负载 R 上得到的是与二极管整流电 路相同的半波正弦波电压波形七。SR的源-漏级之 间有寄生的体二极管，当加在门极和源极(G-S)之间 的驱动信号为“0时，SR关断，但电流仍然可以由 体二极管流通。不过SR体二极管的正向导通压降 和反向恢复时间都比 SBD 大得多，因此，一旦电 流流过SR的体二极管，则整流损耗则将明显增加。 因此必须要有符合一定时序关系的门极驱动信号 去控制它，使其向一个二极管一样

16、地导通和关断。 门极驱动信号往往是设计同步整流电路必须要解 决的首要问题。例如，SR开通过早或关断过晚， 都可能造成短路，而开通过晚或关断过早又可能使 SR的体二极管导通，使整流损耗和器件应力增大。3.2 同步整流的驱动方式53.2.1 外驱动同步整流方式 外驱动同步整流管的门极驱动电压需要从附 加的外设驱动电路来获得。为了实现同步，驱动电 路必须由 DC/DC PWM 转换器主开关管的驱动信 号来进行控制，外驱动电路可以提供比较精确的控 制时序，比传统的自驱动 SR 效率高。缺点是：驱 动电路复杂，需要有控制检测、定时逻辑、同步变 压器等，驱动电路有损耗、价格贵、开发周期长等， 因而限制了外

17、驱动同步整流方式的广泛应用。3.2.2 电压型自驱动同步整流检测 DC/DC PWM 转换器 SR 所在回路中的某一 电压或电流，作为 SR 的门极驱动电压，称作电压 型自驱动或电流型自驱动方式。对门极驱动电压的 要求是：波形能够快速转换，时序准确、无死区等。 对于半波同步整流电路，SR的门极和漏极分别接 在变压器次级输出两端，用变压器次级电压作为 SR 的驱动信号电压，即为电压型自驱动同步整流方 式，其特点是电路简单、实用。缺点是：不同的 PWM 开关转换器电路，需要 用不同的驱动方式，以保证准确的控制时序； SR 的驱动电压与 DC/DC PWM 转化器的输出电压成 正比，在输出电压的变化

18、范围较宽时，很难在整个 电压变化范围内、安全可靠的驱动SR；变压器的 漏感可能会影响驱动电压，甚至还可能会降低转换 器效率。3.2.3 电流型自驱动同步整流 电流驱动同步整流器通过检测流过同步整流管的电流，确定是否开通还是关断同步整流管。当 同步整流管导通且电流从同步整流管的源极流向 漏极时，检测功率 MOSFET 的电流，得到电流驱 动同步整流管的驱动信号。当电流降低为0 或反向 时，同步整流管关断。电流驱动同步整流管好像一 个普通二极管，能够自动的开通和关断。相对于电 压驱动同步整流器，电流驱动同步整流器的拓扑结 构独立。也就是说，在已有的开关电源拓扑结构中， 可以用电流驱动同步整流管代替

19、整流二极管。因 此，电流驱动同步整流管具有通用性，但是必须外 加电流检测器件及辅助电路。4 多相交错并联技术 4近年来随着大功率电源系统的广泛应用，交错 并联技术也得到了快速的发展。并联技术能使变换 器在各单元中进行合理的热损耗分配，提高单元的 可靠性，提高功率密度，减少成本；为变换器的维 修和维护带来方便，提高系统容错性和运行可靠 性。但是，并联运行变换器的总电流纹波比较大。 解决这个问题的一种有效方法就是多个并联单元 采用交错运行模式。交错运行技术是并联运行技术 的一种改进，是指各单元的工作信号频率一致，相 角互相错开。采用交错运行，在相同的输出条件下， 可以有效的减小每相滤波电感的体积，

20、且开关管的 电流仅仅是输出电流的几分之一，同时每相开关频 率也可降低为原来的几分之一，还可以降低变换器 的电磁干扰。可见交错并联技术还能有效改善动态 性能。下图为一台四模块并联的 Buck 变换器，图 6 四相交错并联 Buck 同步整流结构图AI =厂Uo DT当S管关闭的时候，滤波电感电 up L流下降，AI= U (1-D)T 一个周期内，down LAI二A 。则单个Buck模块滤波电感电流变化downup量为：AI = U (1-D)(7)i Lfs为求模块并联后总的电流变化量，首先将 I 和 IL1L3迭加，易知迭加后AI =旷(1-2D)，为使其有L1,3 Lfs意义，需要1-2

21、D0,则D0.5。再将I和I迭L 2L4加，AI= Uo (1 - 2D) , D0，则D0.25。比 较式(7)和(8)可知，当占空比 D0.25 的时候，四路 CCM 工作模块交错并联后系统总输出电流脉动较 单模块减小许多。由图7 还可知，总输出电流脉动 频率是单模块的四倍。而当 0.25D1 的时候，四 个 CCM 工作模块并联后总输出电流脉动较单模块 也减小许多，且总输出电流脉动频率是单模块的四 倍，这里不作进一步分析。事实上，对于任意 N 模块系统并联交错运行 在 CCM 模式，有如下结论： 参与并联交错的模块数目越多，并联后总的电 流纹波较之单一模块的纹波减小的越多，也即交错 带来

22、的效果越明显。 无论 N 为何值，当占空比 D 很小(接近于 0) 或者很大(接近于1)的时候，交错带来的降低纹波幅 值的效果都不明显，而占空比居中 (接近 0.5)的时 候，降低纹波幅值的效果则总体比较明显。以上讨论的是电感电流连续的 CCM 工作模 式，当系统工作在 DCM 模式的时候，有两种情况， 再次不做详细讨论。5 均流技术 - 最大电流法自动均流并联的开关变换器模块间需要采用均流 (Current Sharing)措施，它是实现大功率电源系统的 关键。用以保证模块之间电流应力和热应力的均匀 分配，防止一台或多台模块运行在电流极限值状 态。因为并联运行的各个模块特性并不一致，外特 性

23、好(电压调整率小)的模块，可能承担更多的电流， 甚至过载，从而使某些外特性较差的模块运行与轻 载，甚至基本上是空载运行。其结果必然是分担电 流多的模块，热应力大，降低了可靠性。最大电流法自动均流是一种自动设定主模块 和从模块的方法，即在 N 个并联的模块中，输出电 流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块 则为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正 负载电流分配的不均衡，又称为“自动主从控制法”。 由于在 N 个并联的模块中，事先没有人为设定哪 个模块为主模块，而是按电流大小排序，电流大的 模块自动称为主模块，所以也有人称为这个方法为 “民主均流法”，最大电流法自动均流具有冗余技术 的特

24、点，且可实现各路均流。本文 下一节中在 Matlab/Simulink 仿真环境下，利用最大电流法自动 均流的原理，实现四相交错并联 Buck 变换器的各 路均流。6 基于 Matlab/Simulink 的 Buck 变换器的 电路仿真6.1 单 Buck 同步整流变换器电路仿真6.1.1 仿真电路在 Buck 变 换 器 拓 扑 基 础 上 , 利 用 Simulink/SimPowerSystem 中的 MOSFET 模块取代 主开关管与整流二极管, 实现 Buck 同步整流变换 羽ph收器电路。图 8 Buck 同步整流变换器仿真电路仿真电路参数：输入电压：12V；输出电压： 2V ；

25、输出电感：100p H；输出电容：220p F；输出电阻：0.1；工作频率：100KHZ。6.1.2 仿真结果1) 输出电压在电路工作频率为100KHz的情况下，输出电 压稳定至2V所需时间为350“ s由于电路未加软启 动电路，所以，输出电压建立波形有一个上冲电压 (最大值仅为2.1V),在实际电路中此上冲电压不会 对电路器件损坏，同时，输出电压建立波形振荡频 率小，不会对电路建立过程的稳定性带来影响。图 12 输出电流纹波输出电流为 20A 与输出电压、输出负载相对 应；同时，可知整个电路工作在CCM模式；输出 电流纹波峰峰值为 0.05A。3) 主功率开关驱动脉冲与整流管驱动脉冲波 形。

26、图 13 主功率开关驱动脉冲与整流管驱动脉冲波形图 图 13 中，通道1 为主功率开关驱动脉冲，通 道2为整流管驱动脉冲波形；两路波形互补，且波 形频率为100KHz,实现对Buck同步整流变换器 电路的驱动作用。图 10 输出电压纹波6.2 基于 Matlab/Simulink 的四相交错并联 Buck输出电感电流波形纹波图10中，纹波电压峰峰值：1X10-3V；纹波频 率：100KHz；输出电压：2.0026V，输出电压误差 值为 26X10-4V。2) 输出电感电流图 11 输出电流波形图变换器电路仿真6.2.1 仿真电路在 Matlab/Simulink 环境下，对单相同步整流Buck

27、 变换器进行改进，采用“最大电流均流法” 实现各路输出电感电流均流，针对实验结果及仿真 波形进行分析，并说明该拓扑结构的优点。图 14 中，四路 Buck 变换器同时向一个负载供电，每路中各个元件的参数均相同。构，如图15所示。4个Subsystem模块不同的是三 角波的依次滞后 90。由 Subsystem 模块可知， PWM 信号由电压调节环节与均流调节环节共同作 用产生，此 PWM 信号既可稳定输出电压又可实现 各路模块输出电感电流均流。图 15 Subsystem 内部结构四相交错并联 Buck 仿真电路参数：输入电压：12V；输出电压：2V ；输出电感：100p H； 输出电容：30

28、p F；负载电阻：7 mQ；工作频率： 100KHz。6.2.2 仿真结果1）四相 Buck 变换器的输出电压建立波形，如 图 16 所示。图 16 输出电压波形在电路工作频率为lOOKHz的情况下，输出电 压稳定至2所需时间为3000p s,由于输出电感电 流较大，因此，输出电压建立时间相对于单相 Buck 变换器长。同时，在时间3000p s内，输出电流不 能完全提供负载所需能量，与单相 Buck 相比较， 瞬间没有过多能量向电容充电，因此，输出电压建 立过程没有上冲电压，提高输出电压建立时的安全 性与稳定性。四相Buck变换器的输出电压纹波如图所示。图 17 输出电压纹波波形图输出电压：

29、2.0122V ；纹波电压峰峰值：1 X 10-5Vo仿真结果表明，多相Buck变换器相数增加， 输出电流纹波频率增加，对输出电容充、放电频率 增加，则输出电压纹波频率增加，其峰峰值减小。2）四相Buck变换器输出电感电流与输出电流 波形，如图 18 所示。图 18 输出电流与四相输出电感电流波形图每路电流平均值71.87A,输出电流值287.46A,输出电流纹波0.007A，输出电流纹波频率400KHz。文U凤君.现代高频开关电源技术及应用M.北京:电子工业出版仿真结果表明，多相交错并联 Buck 变换器的相数社,2008.越多，输出电流纹波频率越大，纹波峰峰值越小， 越趋近于理想直流稳压电

30、源；同时，相数增加，电 路复杂性及成本相应增加；因此，多相交错并联Buck 变换器相数的选择需从整个电路性能指标、 能量损耗、成本及开发周期等因素折中考虑。3)四相 Buck 变换器的 PWM 驱动脉冲波形通道 1、2、3、4 波形相位彼此相错 90，体现 四相交错并联 Buck 变换器工作特性。7 结论随着现代电力电子技术的不断发展，开关电源 的应用也取得了较快的进展。许多技术不断涌现， 其目的都是为了进一步优化开关电源的技术指标， 提高它的性能。其中，低压大电流 DC-DC 变换器 的研究得到了极大的重视。本文围绕着这一主题， 研究同步整流技术和交错并联及均流技术，可以极 大的优化整个低压

31、大电流 DC-DC 变换器的性能。 通过在 Matlab/Simulink 环境下对 Buck 电路单相 和四相的仿真，验证了四相 Buck 变换器输出电压 纹波小，输出电流大，输出电流纹波小，动态响应 效果好，开关频率高。四相交错变换器的诸多特点 表征了 DC-DC变换器的发展方向。参考文献1 王萍，孙栩，宋良瑜.一种新的低压大电流DC/DC变换器的研究J 电力电子技术, 2005, (01) .2 胡宗波.同步整流器中 MOSFET 的双向导电特性和整流损耗研究.中国电机工程学报，2002, 22 (3) .page(s):88-933 Chandrasekaran S, Mehrotra V, Han Sun. A new matrix integrated magnetics structure for low voltage, high current,DC-DC converters. 2002 IEEE 33rd Annual,Power Electronics Specialists Conference,2002.123012354 贾 荣低压大电流DC-DC变换器的研究D西安:西安科技大学，2009.