磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器

李洪珠 曹人众 张垒 李洪璠

摘 要：为了提高传统Buck/Boost变换器的电压增益、暂态响应速度同时减小电感支路的电流纹波和变换器的体积重量。将磁集成开关电感技术和交错并联技术应用到传统的Buck/Boost变换中，提出了磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器。通过采用开关电感结构替换传统变换器中的电感的方式，使变换器正向功率变换的电压增益提高为原来的2倍。采用磁集成技术并合理设计耦合电感间的耦合系数能够减小该变换器电感支路的电流纹波、提高系统暂态响应速度、减小变换器的体积重量，进而提高变换器的电气性能。最后通过实验样机的结果验证了理论分析的正确性。

关键词：Buck/Boost变换器；开关电感；磁集成；交错并联；电压增益

中图分类号：TM 4

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）06-0087-09

Abstract：It aims to improve the voltage gain and the transient response speed of the traditional Buck/Boost converter meanwhile reduce the current ripple and the volume weight of the converter. The magnetic integrated switch inductance technology and the interleaved parallel technology are applied to the traditional Buck/Boost transform，and a magnetic integrated switch inductor interleaved parallel Buck/Boost converter is proposed.The switching inductance structure was used to replace the inductance in the traditional converter， so that the voltage gain of the converter forward power conversion was increased to 2 times.The current ripple with integrated magnetics and the coupling coefficient of coupling inductance between the rational design of the converter can reduce the inductance branch， improve transient response speed， reduce the weight of the converter， and then improve the electrical performance of the converter.The experimental results verify the correctness of the theoretical analysis.

Keywords：Buck/Boost converter；switching inductor； magnetic integration； interleaving magnetic；voltage gain

0 引 言

隨着全球的目光逐渐集中在新能源的开发利用上，高性能的双向功率变换直流变换器也受到了普遍关注，近年来为了提高直流变换器的电气性能，很多学者将交错并联、磁集成、开关电感等技术引用到了直流变换器中[1-4]。文献[5]将交错并联磁集成技术应用到DC/DC变换器中，减小了稳态电流纹波、提高了暂态响应速度。文献[6]将开关电感应用到了Boost变换器中，使Boost变换器的电压增益有所提高。文献[7]将开关电容方案引用到了直流变换器中，使变换器的电压成倍的提高。文献[8]利用开关电感替代传统双向DC/DC变换器中的存储电感，视线输入输出电流纹波减少，同时提高了变换器的动态响应速度，就此分析方式创新了传统的BuckBoost变换器。

在传统的Buck/Boost变换器的基础上提出了磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器。与传统Buck/Boost变换器相比磁集成开关电感交错并联Buck/Boos变换器具有输出电压范围大的优点，通过控制开关管导通的占空比可以使该直流变换器单方向的输出侧的电压值高于或低于输入侧的电压值。磁集成开关电感和交错并联的应用，可以提高变换器的电压变换比、减小电流纹波、提升暂态速度、减小变换器的损耗，进而优化变换器输出的电能质量[8-12]。通过对变换器稳态和暂态的分析，得出了该直流变换器磁集成电感耦合度的设计准则。并通过实验样机对理论分析进行了验证。

1 变换器的拓扑结构与工作模态

1.1 变换器的拓扑结构

1.2 变换器工作模态

1）变换器正向功率变换模态分析。

在正向功率变换过程中该变换器在一个工作周期内共有4个模态。4个模态的工作波形如图2所示。

2 变换器工作性能分析

2.1 变换器的电压增益

在正向功率变换中，根据式（1）～式（3）能够得到每一条支路电感中的电流在4个模态中的变化情况如表1所示。

在反向功率变换中，根据式（4）～式（6）能够得到每一条支路电感中的电流在4个模态中的变化情况如表2所示。

由表1和表2与传统的交错并联Buck/Boost变换器相比，虽然在反向功率变换的情况下两侧电压变换比相同，但是在正向功率变换的情况下电压增益能够提高为原来的2倍。

2.2 变换器的等效电感

磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器共有4个工作模式，在Boost模式（Buck与Boost相同）下的等效电感如表3所示。

2.3 支路等效稳态电感

变换器在一个开关周期的4个模态下的支路等效电感Leq1～Leq4和电流iL1的波形如图4所示。

2.4 支路等效暂态电感

磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器在正向功率变换过程中，当开关管占空比增大ΔD时，L1所在的支路中电感绕组电流的变化情况如图5所示。

由图5和表3可得各时间段的支路电流增量为：

通过比较式（8）与式（21）可知，变换器支路暂态电流增量在电感耦合和非耦合两种形式上的差异是由Leq2和Ldis不同造成的。因此磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器的支路等效暂态电感Ltr=Leq2，即

因此，①在降低支路稳态电流纹波时能够保持支路暂态电流响应速度不发生变化；②在提高支路暂态电流响应速度时能够保持支路稳态电流纹波不发生变化；③在既降低支路稳态电流纹波，又提高支路暂态电流响应速度时，能够解决非耦合条件下电感绕组所在支路的稳态电流纹波和暂态电流响应速度相互矛盾的问题，进而提高了变换器的综合电气性能。

3 耦合电感设计

3.1 物理结构

所应用的阵列式磁路结构如图7所示，由磁心1#、2#、3#组成的一个整体磁路。为了使电感绕组L1与L2、L3与L4之间能够实现正向耦合并且耦合度达到最大，将4个电感绕组按照图7中的位置缠绕在磁心上，同时电感绕组L1、L2与L3、L4分别实现反向耦合形式。

由前文分析可知正向耦合电感间的正向耦合系数越大，支路的稳态电流纹波越小，同时通过调整气隙的磁阻来调节Rw，可以设计反向耦合电感间的反向耦合系数k2的值，从而可以优化支路暂态电流响应时间。这样能够使DC/DC变换器的支路稳态电流纹波及暂态电流响应时间同时达到理想的状态。

4 实验

为了验证所提出的磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器的工作原理，研制了实验样机。全耦合的4个电感绕组的自感值与互感值参数如表4所示。

4.1 正、反向功率变换的输入输出电压实验

图8（a）和图8（b）分别是变换器在正向功率变换过程中对应的输入电压V1和输出电压V2的实验结果图。由图中数据可知在输入电压V1=18 V条件下，电压V2≈24 V，验证了输出、输入两端电压关系式（7）的正确性。图8（c）和图8（d）分别是变换器在反向功率变换过程中输出侧电压V2和输出电压V1对应的实验结果图。此时输入端电压V2=24 V，由图中数据可知输出侧电压V1≈18 V，通过实验样机验证了反向功率变换时两端电压关系式（8）的正确性。

4.2 耦合与非耦合下的电流纹波分析实验

图9是变换器正向功率变换过程中耦合与非耦合两种条件下的电感支路的电流实验波形。在正向功率变换过程中设置其中输入端电压V1=18 V，频率是50 kHz，输出端电压V2=24 V，此时占空比D=0.4。

由图9（a）可知耦合条件下对应的电感支路电流纹波约为16 A，由图9（b）可知非耦合條件下对应的电感支路电流纹波约为31 A。通过对比能够得出变换器电感经过磁集成处理后能够使电感支路电流纹波减小，进而提高电气性能。

图10为变换器在反向功率变换过程中电感耦合与非耦合两种条件下的电感支路的电流波形图。在反向功率变换过程中设置其中输入端电压V2=24 V，同样频率是50 kHz，此时占空比D=3/7。由图10（a）可知耦合条件下对应电感支路电流纹波约为10 A，由图10（b）可知非耦合条件下对应的电感支路电流纹波约为22 A。通过对比可知变换器的电感经过磁集成处理后可以使电感支路电流纹波在一定程度上减小。

通过实验测试可得提出直流变换器的电感经过磁集成后能够降低电感支路的电流纹波，验证了理论分析的正确性。

4.3 耦合与非耦合下响应时间实验

当输出侧负载突然增加时，变换器在耦合与非耦合两种情况下输出电压的波形如图11所示。由图可知电感耦合条件下变换器暂态响应时间为35 ms，电感非耦合条件下变换器暂态响应时间为55 ms。通过对比可得，电感经过磁集成处理后能够提高暂态响应速度，改善变换器的动态电气性能，验证了前文的理论分析。

5 结 论

本文提出磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器主要有以下特点：

1）变换器正向功率变换时的电压增益提高为原来的2倍。

2）利用等效电感归一化的方法给出了该变换器电感耦合度的设计准则，推出参数的设计有效范围。

3）本文提出的变换器与传统的Buck/Boost变换器相比在稳态和暂态性能方面得到了一定程度的改善，提高了变换器的应用价值。

通过实验样机对变换器的稳态与暂态特性进行了实验，验证了本文理论分析的正确性。上述分析表明磁集成开关电感交错并联Buck/Boost变换器具有优良的综合性能。

参 考 文 献：

[1] XIE Yanhui， SUN Jing， JAMES S. Power flow characterization of a bidirectional galvanically isolated highpower DC/DC converter over a wide operating range[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010， 25（1）： 54.

[2] 童亦斌， 吴峂， 金新民，等. 双向DC/DC变换器的拓扑研究[J]. 中国电机工程学报， 2007， 27（13）： 81.

TONG Yibin， WU Tong， JING Xinmin，et al.Topological study of bi directional DC/DC converter[J].Proceedings of the CSEE， 2007， 27（13）： 81.

[3] 严仰光. 双向直流变换器[M]. 江苏： 江苏科学技术出版社， 2004： 89.

[4] 杨玉岗， 李涛， 冯本成. 交错并联磁集成双向DC/DC变换器的设计准则[J]. 中国电机工程学报， 2012， 32（30）： 37.

YANG Yugang， LI Tao，FENG Bencheng. Design criteria for a staggered parallel DC/DC converter with magnetic integration[J].Proceedings of the CSEE，2012， 32（30）： 37.

[5] DUMRONGKITTIGULE T，TARATEERASETH V，KHANNGERN W. A new integrated inductor with balanced switching technique for common mode EMI reduction in high stepup DC/DC converter[C]//Proceedings of the 17th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility. 2006： 541.

[6] 楊玉岗， 李洪珠， 王建林， 等. 可削减直流偏磁集成磁件在DC/DC变换器中的应用[J]. 中国电机工程学报， 2005， 25（11）： 50.

YANG Yugang， LI Hongzhu， WANG Jianlin，et al.Application of DC/DC converter with DC offset reduction[J].Proceedings of the CSEE，2005， 25（11）： 50.

[7] KAPAT， SANTANU， BANER JEE，et al.Discontinuous map analysis of a DCDC converter governed by pulse skipping modulation[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems. 2010， 23（10）： 56.

[8] 李洪珠，杨学鹏，张馨瑜，等.交错并联磁集成开关电感双向DC/DC变换器[J].电力电子技术2016，50（4）： 17.

LI Hongzhong，YANG Xuepeng，ZHANG Xinyu，et al.Interleaving magnetic integrated bidirectional DC/DC converter with switched inductor[J]. Power Electronics Technology，2016，50（4）： 17.

[9] 牛全民， 罗萍， 李肇基，等.Boost变换器跨周期调制（PSM）的状态空间平均模型[J]. 电子与信息学报， 2006， 28（10）： 56.

NIU Quanmin， LUO Ping， LI Zhaoji，et al.State space average model of Boost converter with cross period modulation （PSM）[J]. Journal of Electronics and Information Technology， 2006， 28（10）： 56.

[10] CHAN M P，Mok P K T. Onchip digital inductor current sensor for monolithic digitally controlled DCDC converter[J]. IEEE Transactions on Circuits and SystemsI， 2013， 12（6）：56.

[11] TRECASES O， WAI TUNG， NISHIO H， et al. A digitally controlled DCDC converter module with a segmented output stage for optimized efficiency[C]//Proceedings of IEEE Power Semiconductor Devices and Integrated Circuits. 2006： 325.

[12] 陆杨军， 邢岩， 吴红飞，等.宽电压范围双移相控制多倍压高增益软开关隔离升降压变换器[J]. 电工技术学报， 2016， 31（13）： 10.

LU Yangjun， XING Yan， WU Hongfei，et al.Wide range of voltage dual phase shifting control soft switching high gain multi voltage isolation buck boost converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2016， 31（13）： 10.

[13] 于雁南， 杨荣峰， 严继池，等. 级联H桥静止无功发生器的多变量自抗扰解耦控制[J]. 中国电机工程学报， 2016， 36（08）： 2233.

YU Yannan， YANG Rongfeng， YAN Jichi，et al.Multi variable auto disturbance rejection decoupling control for static var generator of cascade H Bridge[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（08）： 2233.

[14] 杨玉岗， 叶菁源， 宁浩轩，等. “E王E”形耦合电感器的设计及其在交错并联磁集成双向DCDC变换器中的应用[J]. 电工技术学报， 2015， 30（4）： 88.

YANG Yugang， YE Jingyuan， NING Haoxuan，et al.Design of the "E王E" shaped coupling inductor and its application in a staggered parallel magnetic integrated bidirectional DCDC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2015 30（4）： 88.

[15] 张勋， 王广柱， 商秀娟，等. 双向全桥DCDC变换器回流功率优化的双重移相控制[J]. 中国电机工程学报， 2016， 36（4）： 1090.

ZHANG Xun， WANG Guangzhu， SHANG Xiujuan，et al. Dual phase shift control of the reflux power optimization of bi directional full bridge DCDC converter[J]. Proceedings of the CSEE， 2016，36（4）：1090.

[16] KEVIN J，HARTNET， JOHN G，et al. CCTTCore Splitwinding integrated magnetic for highpower DCDC converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013， 15（5）： 89.

[17] WU Hongfei， XU Peng， HU Haibing， et al. Multiple converters based on integration of fullbridge and bidirectional DCDC topologies for renewable generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 18（2）：186.

（編辑：贾志超）