一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法

摘要

本发明涉及一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法。该变换器包括：2n+2个IGBT、n+1个电感器以及两个电容器；n为自然数；两个IGBT与一个电感构成一相桥臂，该变换器共具有n+1相桥臂；其中，第二相桥臂到第n+1相桥臂并联，并联后的桥臂直接与所述电容器CP并联连接，电容器CS串联在第一相桥臂的电感器LS和电容器CP之间；第一相桥臂作为输出纹波补偿桥臂，第二相桥臂到第n+1相桥臂均作为功率桥臂，用于功率传输。本发明能够降低交错并联BUCK变换器的开关损耗、成本以及体积。

权利要求

1.一种新型交错并联BUCK变换器，其特征在于，包括：2n+2个绝缘栅双极型晶体管IGBT、n+1个电感器以及两个电容器；n为自然数；

所述2n+2个IGBT为SS1、SS2、SP1、SP2、SP3、SP4、… 、SP(2n‑1)、SP(2n)；所述n+1个电感器为LS、LP1、LP2、… 、LPn；所述两个电容器为电容器CS以及电容器CP；

SS1、SS2、LS构成第一个BUCK电路，所述第一个BUCK电路为第一相桥臂；SP1、SP2、LP1构成第二个BUCK电路，所述第二个BUCK电路为第二相桥臂；SP3、SP4、LP2构成第三个BUCK电路，所述第三个BUCK电路为第三相桥臂；以此类推，SP(2n‑1)、SP(2n)、LPn构成第n+1个BUCK电路，所述第n+1个BUCK电路为第n+1相桥臂；其中，所述第二相桥臂到所述第n+1相桥臂并联，并联后的桥臂直接与所述电容器CP并联连接，所述电容器CS串联在所述第一相桥臂的电感器LS和所述电容器CP之间；所述第一相桥臂作为输出纹波补偿桥臂，所述第二相桥臂到所述第n+1相桥臂均作为功率桥臂，用于功率传输；

所述功率桥臂以具有相同的占空比DP和开断频率fP的PWM控制信号进行开断，所述功率桥臂之间引入360/N的相对相移；N为所述功率桥臂的数量；

所述输出纹波补偿桥臂的开断频率fS为所述开断频率fP的N倍，所述输出纹波补偿桥臂的占空比DS为 其中DP＝0.3。

2.一种新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，其特征在于，所述纹波消除方法应用于权利要求1所述的新型交错并联BUCK变换器，所述纹波消除方法包括：将功率桥臂以具有相同的占空比和开断频率的PWM控制信号进行开断，并获取所述功率桥臂的数量；

根据所述功率桥臂的数量确定所述功率桥臂之间的相对相移、输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比；

获取每相所述功率桥臂上的直流电流，并根据每相所述功率桥臂上的直流电流确定所有功率桥臂的总电流；

根据所述相对相移确定所述总电流的三角形纹波；

根据所述输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比确定所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波；所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波的频率幅值与所述总电流的三角形纹波的频率幅值相同；所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波的波形与所述总电流的三角形纹波的波形互补；

叠加所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波以及所述总电流的三角形纹波，输出电流纹波为0的直流电流；

所述功率桥臂之间相对相移为360/N；N为所述功率桥臂的数量；

所述输出纹波补偿桥臂的开断频率fS为开断频率fP的N倍，所述输出纹波补偿桥臂的占空比DS为 其中DP＝0.3。

3.根据权利要求2所述的新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，其特征在于，每相所述功率桥臂内的绝缘栅双极型晶体管IGBT的PWM控制信号互补导通；所有的功率桥臂均处于连续导通模式。

4.根据权利要求2所述的新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，其特征在于，所述输出纹波补偿桥臂内的IGBT的PWM控制信号互补导通。

5.根据权利要求2所述的新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，其特征在于，所述总电流的三角形纹波的纹波幅值为每相所述功率桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波幅值的N分之一，所述总电流的三角形纹波的纹波频率为每相所述功率桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波频率的N倍；N为所述功率桥臂的数量。

说明书

一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电源设计领域，特别是涉及一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法。

背景技术

[0002] 在一些特殊的应用场景中，需要变换器输出小电压大电流的直流电，此外还要求输出纹波小、能源效率高。传统交错并联BUCK变换器以其独特优势在小电压大电流场景中
得到广泛的应用，传统交错并联BUCK变换器采用移相交错导通的控制方式在一定程度上可
以减小输出纹波，但如果要进一步降低输出纹波的话，只能靠提高开关频率或者增加滤波
器的电感电容值。然而，开关频率的提高会增加变换器的开关损耗，滤波器中电感电容值的
提高会增加变换器的成本和体积。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法，以解决传统的交错并联BUCK变换器开关损耗、成本以及体积高的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0005] 一种新型交错并联BUCK变换器，包括：2n+2个绝缘栅双极型晶体管IGBT、n+1个电感器以及两个电容器；n为自然数；

[0006] 所述2n+2个IGBT为SS1、SS2、SP1、SP2、SP3、SP4、…、SP(2n‑1)、SP(2n)；所述n+1个电感器为LS、LP1、LP2、…、LPn；所述两个电容器为电容器CS以及电容器CP；

[0007] SS1、SS2、LS构成第一个BUCK电路，所述第一个BUCK电路为第一相桥臂；SP1、SP2、LP1构成第二个BUCK电路，所述第二个BUCK电路为第二相桥臂；SP3、SP4、LP2构成第三个BUCK电路，
所述第三个BUCK电路为第三相桥臂；以此类推，SP(2n‑1)、SP(2n)、LPn构成第n+1个BUCK电路，所
述第n+1个BUCK电路为第n+1相桥臂；其中，所述第二相桥臂到所述第n+1相桥臂并联，并联
后的桥臂直接与所述电容器CP并联连接，所述电容器CS串联在所述第一相桥臂的电感器LS
和所述电容器CP之间；所述第一相桥臂作为输出纹波补偿桥臂，所述第二相桥臂到所述第n
+1相桥臂均作为功率桥臂，用于功率传输。

[0008] 可选的，所述功率桥臂以具有相同的占空比DP和开断频率fP的PWM控制信号进行开断，所述功率桥臂之间引入360°/N的相对相移；N为所述功率桥臂的数量；

[0009] 所述输出纹波补偿桥臂的开断频率fS为所述开断频率fP的N倍，所述输出纹波补偿桥臂的占空比DS为

[0010] 一种新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，包括：

[0011] 将功率桥臂以具有相同的占空比和开断频率的PWM控制信号进行开断，并获取所述功率桥臂的数量；

[0012] 根据所述功率桥臂的数量确定所述功率桥臂之间的相对相移、输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比；

[0013] 获取每相所述功率桥臂上的直流电流，并根据每相所述功率桥臂上的直流电流确定所有功率桥臂的总电流；

[0014] 根据所述相对相移确定所述总电流的三角形纹波；

[0015] 根据所述输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比确定所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波；所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波
的频率幅值与所述总电流的三角形纹波的频率幅值相同；所述输出纹波补偿桥臂上直流电
流的三角形纹波的波形与所述总电流的三角形纹波的波形互补；

[0016] 叠加所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波以及所述总电流的三角形纹波，输出电流纹波为0的直流电流。

[0017] 可选的，每相所述功率桥臂内的绝缘栅双极型晶体管IGBT的PWM控制信号互补导通；所有的功率桥臂均处于连续导通模式。

[0018] 可选的，所述输出纹波补偿桥臂内的IGBT的PWM控制信号互补导通。

[0019] 可选的，所述总电流的三角形纹波的纹波幅值为每相所述功率桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波幅值的N分之一，所述总电流的三角形纹波的纹波频率为每相所述功率
桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波频率的N倍；N为所述功率桥臂的数量。

[0020] 可选的，所述功率桥臂之间相对相移为360°/N；N为所述功率桥臂的数量；

[0021] 所述输出纹波补偿桥臂的开断频率fS为所述开断频率fP的N倍，所述输出纹波补偿桥臂的占空比DS为

[0022] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法，基于该新型交错并联BUCK变换器的电路关
系，利用新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法从控制方式的角度极大地消减了交错并
联BUCK变换器的输出纹波，并且使输出纹波不再依赖变换器开关频率和输出滤波器，变换
器开关损耗、体积和成本能够进一步降低。且由于传统交错并联BUCK变换器中的续流二极
管被绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)替代，以及变换器
开关损耗的降低，效率能够进一步提高。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。

[0024] 图1为本发明所提供的新型交错并联BUCK变换器的电路示意图；

[0025] 图2为本发明所提供的四相交错并联BUCK变换器的电路示意图；

[0026] 图3为本发明所提供的四相交错并联BUCK变换器中各个IGBT的PWM控制信号示意图；

[0027] 图4为本发明所提供的四相交错并联BUCK变换器中各相桥臂上的电流波形示意图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 本发明的目的是提供一种新型交错并联BUCK变换器及其纹波消除方法，能够降低交错并联BUCK变换器的开关损耗、成本以及体积。

[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0031] 图1为本发明所提供的新型交错并联BUCK变换器的电路示意图，如图1所示，包括：2n+2个IGBT：SS1、SS2、SP1、SP2、SP3、SP4、…、SP(2n‑1)、SP(2n)，n+1个具有相同电感值的电感器：LS、
LP1、LP2、…、LPn以及两个电容器CS、CP。

[0032] SS1、SS2、LS构成第一个BUCK电路，SS1、SS2、LS为第一相桥臂。SP1、SP2、LP1构成第二个BUCK电路，SP1、SP2、LP1为第二相桥臂。SP3、SP4、LP2构成第三个BUCK电路，SP3、SP4、LP2为第三相
桥臂。SP(2n‑1)、SP(2n)、LPn构成第n+1个BUCK电路，SP(2n‑1)、SP(2n)、LPn为第n+1相桥臂。第二相桥
臂到第n+1相桥臂并联，然后直接与电容器CP并联连接，电容器CS串联在第一相桥臂的电感
器LS和电容器CP之间。新型交错并联BUCK电路第一相桥臂作为输出纹波补偿桥臂，其余的第
二相桥臂到第n+1相桥臂都作为功率桥臂，用于功率传输。

[0033] 功率桥臂以相同的占空比DP和开断频率fP进行开断，相与相之间引入360°/N(N为功率桥臂数)的相对相移。输出纹波补偿桥臂开断频率fS是三相功率支路开断频率fP的N倍，
占空比DS为：

[0034] 本发明还公开了一种新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，所述纹波消除方法应用于上述新型交错并联BUCK变换器，所述纹波消除方法包括：

[0035] 将功率桥臂以具有相同的占空比和开断频率的脉宽调制(Pulse  Width Modulation，PWM)控制信号进行开断，并获取所述功率桥臂的数量。

[0036] 根据所述功率桥臂的数量确定所述功率桥臂之间的相对相移、输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比。

[0037] 根据所述相对相移确定最后一相所述功率桥臂上的直流电流的三角形纹波。

[0038] 获取每相所述功率桥臂上的直流电流，并根据每相所述功率桥臂上的直流电流确定所有功率桥臂的总电流。

[0039] 根据所述相对相移确定所述总电流的三角形纹波。

[0040] 根据所述输出纹波补偿桥臂的PWM控制信号的开断频率以及占空比确定所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波；所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波
的频率幅值与所述总电流的三角形纹波的频率幅值相同；所述输出纹波补偿桥臂上直流电
流的三角形纹波的波形与所述总电流的三角形纹波的波形互补。

[0041] 叠加所述输出纹波补偿桥臂上直流电流的三角形纹波以及所述总电流的三角形纹波，输出电流纹波为0的直流电流。

[0042] 在实际应用中，每相所述功率桥臂内的绝缘栅双极型晶体管IGBT的PWM控制信号互补导通；所有的功率桥臂均处于连续导通模式。

[0043] 在实际应用中，所述输出纹波补偿桥臂内的IGBT的PWM控制信号互补导通。

[0044] 在实际应用中，所述总电流的三角形纹波的纹波幅值为每相所述功率桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波幅值的N分之一，所述总电流的三角形纹波的纹波频率为每相所
述功率桥臂上直流电流的三角形纹波的纹波频率的N倍；N为所述功率桥臂的数量。

[0045] 在实际应用中，所述功率桥臂之间相对相移为360°/N；N为所述功率桥臂的数量；所述输出纹波补偿桥臂的开断频率fS为所述开断频率fP的N倍，所述输出纹波补偿桥臂的占
空比DS为

[0046] 下面以四相交错并联BUCK变换器为例来说明技术方案，图2为本发明所提供的新型四相交错并联BUCK变换器电路图，如图2所示，包括：八个IGBT：SS1、SS2、SP1、SP2、SP3、SP4、
SP5、SP6，四个具有相同电感值的电感器：LS、LP1、LP2、LP3以及两个电容器CS、CP。SS1、SS2、LS构成
第一个BUCK电路，本发明称SS1、SS2、LS为第一相桥臂。SP1、SP2、LP1构成第二个BUCK电路，本发
明称SP1、SP2、LP1为第二相桥臂。SP3、SP4、LP2构成第三个BUCK电路，本发明称SP3、SP4、LP2为第三
相桥臂。SP5、SP6、LP3构成第四个BUCK电路，本发明称SP5、SP6、LP3为第四相桥臂。第二、三和四
相桥臂并联后直接与电容器CP并联连接，电容器CS串联在第一相桥臂的电感器LS和电容器
CP之间。新型四相交错并联BUCK电路第一相桥臂作为输出纹波补偿桥臂，其余的第二、三、
四相桥臂作为功率桥臂，用于功率传输。

[0047] 步骤1：第二、三、四相功率桥臂的IGBTSP1、SP2、SP3、SP4、SP5、SP6以相同占空比DP和开断频率fP的PWM控制信号进行开断，此时功率桥臂数N为3，因此第二、三、四相的PWM控制信
号分别存在120°的相对相移。步骤2中的输出纹波补偿桥臂SS1、SS2的PWM控制信号开断频率
fS是功率支路开断频率fP的3倍，占空比DS计算方法为： 其中 表
示向下取整。第一相输出纹波补偿桥臂中的IGBTSS1、SS2的PWM控制信号互补导通，第二相功
率桥臂中的IGBT的SP1、SP2PWM控制信号互补导通，第三相功率桥臂中的IGBT的SP3、SP4PWM控
制信号互补导通，第四相功率桥臂中的IGBT的SP5、SP6PWM控制信号互补导通。以DP＝0.3为
例，则电路中各个IGBT的PWM控制信号见图3所示。

[0048] 步骤2：步骤1中的PWM控制信号应用于新型四相交错BUCK变换器，该新型四相交错BUCK变换器中四个BUCK电路均运行于连续导通模式。第二相桥臂在PWM控制信号的控制下，
该桥臂上的直流电流iP1会带有一个三角形纹波。第三相桥臂的PWM控制信号相较于第二相
桥臂的PWM控制信号会有一个120°的相位延迟，因此该桥臂上的直流电流iP2会带有一个具
有120°相位延迟的三角形纹波。第四相桥臂的PWM控制信号相较于第二相桥臂的PWM控制信
号会有一个240°的相位延迟，因此该桥臂上的直流电流iP3会带有一个具有240°相位延迟的
三角形纹波。第二、三和四相桥臂相加可得到一个总电流iP，该总电流iP也会带有一个三角
形纹波，该三角形纹波的频率为第二、三和四相桥臂上电流纹波的三倍，幅值为第二、三和
四相桥臂上电流纹波的三分之一。因为第一相桥臂上CS的作用，该桥臂上电流iS没有直流分
量，只有一个三角形纹波，该桥臂的PWM控制信号的频率为第二、三和四相桥臂上PWM控制信
号的三倍，且占空比满足步骤1的DS＝3·DP‑[3·DP]，最后得到的三角形纹波频率幅值和总
电流iP相同，纹波波形与总电流iP互补。

[0049] 步骤3：根据步骤2中对各桥臂电流纹波的说明，当采用图3的PWM控制信号时，各相桥臂上的电流见图4。第二、三、四相功率桥臂电流分别对应于图4中的iP1、iP2、iP3，iP1、iP2和
iP3是大直流电流和小交流纹波的叠加，图4中将小交流纹波波形放大，可以观察到iP1、iP2和
iP3的小交流纹波具有相同的频率和幅值，并且存在120°的相对相移。随后iP1、iP2和iP3叠加
成为iP后，iP纹波幅值变为iP1、iP2和iP3纹波幅值的三分之一，频率变为iP1、iP2和iP3纹波频率
的三倍。第一相输出纹波补偿桥臂电流iS没有直流电流，只存在小交流纹波，纹波波形与iP
纹波波形互补，iS和iP叠加为iO后，iO电流纹波将会为零。

[0050] 本发明提出了一种新型交错并联BUCK变换器，并利用新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法消减交错并联BUCK变换器的输出纹波，在消减过程中，完全不依赖于变换器
开关频率和输出滤波器，能够极大地降低变换器的开关损耗、体积和成本。

[0051] 因此，本发明从控制方法上降低了输出纹波，而不是从开关频率和输出滤波器角度。与传统交错BUCK变换器相比，在传输功率、输出纹波等指标相同的条件下，新型交错
BUCK变换器的开关损耗、成本以及体积更小。

[0052] 本说明书中各相实施例采用递进的方式描述，每相实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各相实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0053] 本文中应用了具体相例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。