交错并联DC/DC变换器方案

　　1 引言

　　笔者提出了一种交错并联的低压大电流DC-DC变换器，它的一次侧采用对称半桥结构，而二次侧采用倍流整流结构。采用这种结构可以极大地减小滤波电容上的电流纹波，从而极大地减小了滤波电感的大小与整个DC-DC变换器的尺寸。这种变换器运行于48V的输入电压和100kHz的开关频率的环境。

　　2 倍流整流的低压大电流DC-DC变换器的结构分析

　　倍流整流低压大电流DC-DC变换器的电路原理图如图1所示，一次侧采用对称半桥结构，二次侧采用倍流整流结构，在S1导通时SR1必须截止，L1充电;在S2导通时SR2必须截止，L2充电，这样滤波电感电流就会在滤波电容上移项叠加。图2给出了开关控制策略。

　　图1 倍流整流的低压大电流DC-DC变换器的电路原理图

　　图2 开关的控制策略

　　通过以上分析可以看出，倍流整流结构的二次侧2个滤波电感电流在滤波电容上相互叠加，从而使得输出电流纹波变得相当小。

　　结构中的同步整流器均按外加信号驱动处理，使控制变得很复杂，但在这种半桥-倍流拓扑结构中使用简单的自驱动方式很困难，因为，在这种结构中，如果直接从电路中取合适的点作为同步整流器的驱动信号，在死区时间内当这个驱动信号为零时，同步整流器就会截止。为了在半桥-倍流拓扑结构中使用自驱动方式，就必须使用到辅助绕组。

　　以单个半桥-倍流拓扑结构为例，见图3,VSEC为变压器的二次侧电压，Vgs为由辅助绕组获得的同步整流器的驱动电压，可以看出即使在死区的时间内，同步整流器的驱动电压也不可能为零，保证了自驱动方式在这种拓扑结构中的应用。

　　图3 自驱动同步整流器电路及波形图

　　另外，由于在大电流的情况下MOSFET导通压降将增大，从而产生较大的导通损耗，为此应采用多个MOSFET并联方法来减小损耗。

　　3 交错并联低压大电流DC-DC变换器

　　3.1 电路原理图

　　综上所述，倍流整流低压大电流DC-DC变换器具有很好的性能，在此基础上引入交错并联技术，构成一种新的结构，称为并联低压大电流DC-DC变换器，可以进一步减小输出电流纹波。

　　图4为交错并联低压大电流DC-DC变换器的电路原理图(以最简单的2个倍流整流交错并联为例)。

　　图4 交错并联低压大电流DC-DC变换器的电路原理图

　　3.2 变换器的开关控制策略

　　交错并联低压大电流DC-DC变换器的开关控制策略见图5。

　　图5 交错并联低压大电流DC-DC变换器的开关控制策略

3.3 交错并联低压大电流DC-DC变换器性能

　　首先这种拓扑结构最大的优点是变压器原边的结构简化，控制变得很简单。其次，这种方法的实现必须采用同步整流电路，因为交错并联电路的实现要求变压器副边上下电位轮流为正，在一个时间段内有且只有一个为正电位，其余都为零电位。但在这种拓扑结构中，由于2个变压器的原边串联在一起，而副边是并联的，这样如果用肖特基二极管作整流器，那么输入电压将在2个变压器原边上分压，而肖特基二极管又没有选通的功能，这样变压器二次侧的波形将是完全对称的，上下2个整流电路的电流完全重合，达不到电流交错并联的目的。

　　这样，应用同步整流器来完成这个功能，同时利用MOSFET的双向导电特性，因为同步整流管的漏源电流是分布在坐标横轴两侧的。这种结构的过程详细分析如下：

　　1)S1导通，S2截止;S3截止，S4,S5,S6均导通。由于S4,S5,S6的导通，第一变压器副边绕组下端为零电位，第二变压器副边绕组上、下端均为零电位，电感L1上电流上升，L2,L3,L4上电流下降。

　　2)S2导通，S1截止;S4截止，S3,S5,S6均导通。由于S3,S5,S6的导通，第一变压器副边绕组上端为零电位，第二变压器副边绕组上、下端均为零电位，电感L2上电流上升，L1,L3,L4上电流下降。

　　3)S1导通，S2截止;S5截止，S3,S4,S6均导通。由于S3,S4,S6的导通，第二变压器副边绕组下端为零电位，第一变压器副边绕组上、下端均为零电位，电感L3上电流上升，L1,L2,L4上电流下降。

　　4)S2导通，S1截止;S6截止，S3,S4,S5均导通。由于S3,S4,S5的导通，第二变压器副边绕组上端为零电位，第一变压器副边绕组上、下端均为零电位，电感L4上电流上升，L1,L2,L3上电流下降。

　　以上各式均忽略整流器的电压降，且VSEC为变压器二次侧的电压值。

　　根据以上分析可知，应用同步整流器，通过变压器原边串联而副边并联的方法，可以实现这种交错并联半桥-倍流拓扑结构。它的优点主要有以下几个方面：

　　1)有效地简化了拓扑结构和控制策略。

　　2)在频率保持不变的情况下，如果纹波的峰-峰值一定，则这种结构可以有效减小滤波电感的值，从而加快整个变换器的动态响应时间。

3)交错并联的半桥-倍流拓扑结构与非交错并联的半桥-倍流拓扑结构相比，一次侧和二次侧的导通损耗相差