一種應用于交錯并聯DC／DC變換器的陣列式集成磁件

0 引言

隨著大功率負載需求和分布式電源系統的發展，開關電源并聯技術的重要性日益增加。并聯系統中，每個變換器單元只分擔系統總電流的一部分，僅處理較小功率，降低了開關管的應力;還可以應用冗余技術，提高系統可靠性。但由于其控制信號是同步的，所以總的電流紋波是各單元電流紋波同步疊加，這使得變換器總的輸入輸出電流紋波很大，給輸入輸出濾波器的設計帶來了麻煩。

交錯運行技術與并聯運行技術在應用范圍和主電路結構上基本是一致的，只是并聯運行技術的控制信號是同步的，而交錯運行的控制信號是交錯的。所謂交錯是指并聯各單元的工作信號頻率一致，而相角相互錯開一定的角度φ。φ和變換器的并聯單元個數n有關系，一般φ=2π/n。所以此類技術應用于開關變換器中，設計重點就是控制電路的實現，不僅要實現均流控制，還要使并聯單元控制信號相角相差跡使紋波達到最小值。交錯運行變換器不但具有并聯運行變換器的優點，還能克服它的缺點，具有自身獨特的優勢，能夠減小輸入輸出紋波。

在開關電源技術領域中，開關電源的發展趨勢之一是集成化，近年來人們對集成磁技術的研究越來越重視。磁集成技術是減小磁件體積和損耗以及提高變換器動態性能的重要研究方向。在DC/DC變換器中，為了存儲和傳遞直流功率，其磁件中一般都流過較大的直流偏置電流，在磁件磁芯中產生較大的直流偏磁，為了防止直流偏磁引起磁芯飽和，一般采用低磁導率的材料或者具有集中氣隙及分布氣隙的高磁導率的材料，但這會使磁芯的利用率降低，同時限制了磁件體積的減小。

1 陣列式集成磁件在交錯并聯DC/DC變換器中的應用

交錯并聯拓撲具有抑制輸出電流紋波，降低輸出濾波器容量和擴大系統輸出功率的顯著優點，通過減小每個并聯之路上的電感，可以顯著提高動態特性。

圖1是利用陣列式集成磁件構成的雙通道交錯并聯Buck變換器的拓撲，電感L1和L2反向耦合，L1=L2=L。該變換器中開關管S1和S2導通觸發脈沖相差T/2，D相等，在一個開關周期內共有4個工作模態。圖2為陣列式集成電感的結構示意圖，磁路由1#、2#、3#、4#四個磁芯構成;四個繞組N1、N1′和N2、N2′成十字結構，分別繞在相鄰兩個磁芯的磁柱上，并且有N1=N1′=N2=N2′。N1和N1′繞組連接構成電感L1的繞組ab;N2和N2′繞組連接構成電感L2的繞組cd。

2 陣列式集成磁件消除直流偏磁分析

圖2所示陣列式集成磁件磁芯構成可分為兩種形式：

(1)四個磁芯材料及型號相同;

(2)對角磁芯材料或型號不相同。

2.1 陣列式集成磁件直流磁通的分布

在以下四個工作模態下，磁件直流磁通分布如圖3所示。

2.1.1 四個磁芯材料及型號相同

四個磁芯完全相同

式(2)表明在四個磁芯材料及型號完全相同的情況下，各磁芯中直流磁通被完全抵消。

2.1.2 對角磁芯材料或型號不相同

設1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導率，則

將式(3)代入式(2)可見，式(2)仍然成立，這表明對角磁芯材料或型號不相同時各磁芯中直流磁通仍然被完全抵消，即無直流偏磁。

2.2 陣列式集成磁件交流磁通的分布

在四個工作模態下，磁件中交流磁通分布如圖2所示。

2.2.1 四個磁芯材料及型號相同

各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖4所示。從圖4可見，各磁芯中交流磁通變化相同，磁芯中無直流偏磁。

2.2.2 對角磁芯材料或型號不相同

仍設1#和3#磁芯型號完全相同，且較2#和4#磁芯具有高的磁導率。各繞組磁通波形及磁芯中的磁通波形如圖5所示。從圖5可見，由于磁導率不同，對角磁芯中交流磁通變化相同;但2#和4#磁芯磁通變化幅度小于1#和3#磁芯磁通變化幅度;磁芯中無直流偏磁。

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