交错并联同步整流DC-DC变换器的研究
Research on a Interleaved DC-DC
Converter Using Synchronous Rectification
ABSTRACT: 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 voltage supply that has been applied. It’s 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 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 e
nhance it’s topology 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.
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 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。
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1V。由于主板空间非常宝贵，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图
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 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—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、全桥、推挽变换器等。因此本文主要介绍Buck 型DC-DC 变换器。
图2 Buck 变换器基本结构图
1) 电流连续状态(CCM)
表示开关管导通的时间，用表示开关管截止的时间。T表示一个开关周期。
① 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。
② 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。
(1)
(2)
(3)
(4)
其中为占空比
由式(4)可知，输出电压与主开关管的占空比D成正比。由于占空比D总是小于1，所以总是小于，故常称为降压型开关稳压器。
图3 CCM 工作模式波形图
2) 非连续导通模式(DCM)
假设用表示开关管导通的时间，用表示开关管关断直至电感电流持续下降直到零的时间，用表示电感电流保持为零的时间。
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。经过关断时间以后，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，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。在经过后，控制脉冲信号又重新使开关导通，上述过程重复发生。
图 4 DCM 工作模式波形图
同理CCM情况
（5）
(6)
式(6)即为Buck型开关电源工作于非连续导通模式时输入电压和输出电压之间的直流关系。具体表达式不在此表示。
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。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议