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。

说明书

技术领域

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

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

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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

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；

所述2n+2个IGBT为S

S

可选的，所述功率桥臂以具有相同的占空比D

所述输出纹波补偿桥臂的开断频率f

一种新型交错并联BUCK变换器的纹波消除方法，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。

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。

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。

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。

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；

所述输出纹波补偿桥臂的开断频率f

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

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。

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；

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；

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；

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

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。

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。

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。

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：S

S

功率桥臂以相同的占空比D

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：

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 WidthModulation，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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f

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：S

步骤1：第二、三、四相功率桥臂的IGBTS

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i

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i

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。

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。

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。

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。