CN105262336B - 一种无右半平面零点两相交错磁集成boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种两相交错磁集成boost变换器，电感L_a、L_b及电感L_c、L_d分别构成两相，关开管S₁、S₂的驱动信号相互交错180︒，电感L_a、L_b、L_c及L_d共用同一磁芯，L_a与L_b、L_c反相耦合，与L_d正向耦合。本发明还给出了变换器移除右半平面零点的条件。当参数设计合理时，本发明的变换器可以在较宽占空比工作范围内均可满足最小相位系统，大大提高变换器的动态响应速度。除上述优点外，输出滤波电感均集成在同一磁芯上，变换器的功率密度也实现了大幅提高。

Description

一种无右半平面零点两相交错磁集成boost变换器

技术领域

本发明涉及直流-直流变换器技术领域，尤其涉及一种两相交错磁集成boost变换器。

背景技术

传统多相交错并联boost工作在CCM模式时，控制-输出的传递函数包含一个右半平面零点。这种非最小相位系统的控制环路穿越频率需低于右半平面零点所在的频率以确保环路有足够的相角裕度，因此这种变换器的动态特性较差。此外，据统计磁材的成本一般占DC-DC变换器的30～40％，重量则一般占整体的20～30％左右，多相中各相的滤波电感也限制了变换器功率密度进一步的提高。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种无右半平面零点两相交错磁集成boost变换器，在较宽占空比工作范围内均可满足最小相位系统，大大提高变换器的动态响应速度，同时，变换器的功率密度也实现了大幅提高。

本发明通过以下技术方案实现：

一种两相交错磁集成boost变换器，所述变换器包括电感L_a、L_b、L_c、L_d，开关管S₁、S₂，电容C₁、C₂；其中，电感L_a的异名端和电感L_b的异名端相连，电感L_c的同名端和电感L_d的同名端相连，电感L_a的同名端和电感L_c的异名端相连，电感L_b的同名端和电感L_d的异名端相连，开关管S₁的一端的电感L_a的异名端相连，S₁的另一端接地，开关管S₂的一端的电感L_c的同名端相连，S₂的另一端接地，电容C₁的一端的电感L_b的异名端相连，C₁的另一端接地，电容C₂的一端的电感L_d的异名端相连，C₂的另一端接地，电感L_a的同名端作为变换器的输入端，电感L_b的同名端作为变换器的输出端；所述开关管S₁、S₂的驱动信号相互交错180°，所述电感L_a、L_b、L_c及L_d共用同一磁芯。

作为本发明的进一步改进，所述变换器满足下述关系式：

其中，D代表所述开关管开通的占空比，k₁为L_a与L_b间耦合系数，k₂为与L_d间耦合系数，k_ac为L_a与L_c耦合系数，L₁＝L_a＝L_c、L₂＝L_b＝L_d。

作为本发明的进一步改进，在电感L_a和L_b之间连接有二极管D₁，D₁的正极接电感L_a的异名端，D₁的负极接电感L_b的异名端；在电感L_c和L_d之间连接有二极管D₂，D₂的正极接电感L_a的同名端，D₁的负极接电感L_b的同名端。

作为本发明的进一步改进，在变换器的输出端并联有电容C_o，C_o的一端接变换器的输出端，C_o的另一端接地。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种两相交错磁集成boost变换器，并给出了变换器移除右半平面零点的条件。当参数设计合理时，本发明的变换器可以在较宽占空比工作范围内均可满足最小相位系统，大大提高变换器的动态响应速度。除上述优点外，输出滤波电感均集成在同一磁芯上，变换器的功率密度也实现了大幅提高。

附图说明

图1是本发明的两相交错磁集成boost变换器的拓扑结构图；

图2是k₁与D之间的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的两相交错反相耦合电感磁集成boost变换器的拓扑结构如附图1所示，电感L_a的异名端和电感L_b的异名端相连，电感L_c的同名端和电感L_d的同名端相连，电感L_a的同名端和电感L_c的异名端相连，电感L_b的同名端和电感L_d的异名端相连，开关管S₁的一端的电感L_a的异名端相连，S₁的另一端接地，开关管S₂的一端的电感L_c的同名端相连，S₂的另一端接地，电容C₁的一端的电感L_b的异名端相连，C₁的另一端接地，电容C₂的一端的电感L_d的异名端相连，C₂的另一端接地，电感L_a的同名端作为变换器的输入端，电感L_b的同名端作为变换器的输出端。

在电感L_a和L_b之间连接有二极管D₁，D₁的正极接电感L_a的异名端，D₁的负极接电感L_b的异名端。在电感L_c和L_d之间连接有二极管D₂，D₂的正极接电感L_a的同名端，D₁的负极接电感L_b的同名端。在变换器的输出端并联有电容C_o。

开关管S₁、S₂的驱动信号相互交错180°。电感L_a、L_b、L_c及L_d共用同一磁芯，L_a与L_b、L_c反相耦合，与L_d正向耦合。当变换器正常工作传递功率时，电感L_a、L_c中的直流磁通方向相反，可相互抵消；L_b、L_d两电感中的直流磁通同理，因此这种变换器的磁材利用率较高；此外，本发明的变换器可解决传统升压变换器右半平面零点的问题，将零点移至左半平面。

变换器可能存在四种工作模式：I.S₁导通，S₂关断；II.S₁关断，S₂导通；III.S₁导通，S₂导通；IV.S₁关断，S₂关断。

I.S₁导通，S₂关断

开关管S₁开通时，输入电压V_in为电感L_a充电，电流i_La线性增大。电容C₁中储存的能量通过电感L_b流向输出侧，电流i_Lb线性减小。此时，开关管S₂处于关断状态，功率由输入侧通过二极管D₂直接流向输出侧。

II.S₁关断，S₂导通

此工作模式与I相仿，S₁与S₂的通断状态互换。

III.S₁导通，S₂导通

开关管S₁、S₂均导通时，输入电压V_in为电感L_a、L_c充电。电容C₁、C₂中储存的能量通过电感L_b、L_d流向输出侧，电流i_Lb、i_Ld均线性减小。

IV.S₁关断，S₂关断

开关管S₁、S₂均关断时，二极管D₁、D₂导通，电容C₁、C₂充电，功率直接由输入侧流向输出侧。

本发明的变换器中各电感的电流可用自感、互感以及电感电压的矩阵方程表示：

设定变换器中各电感间L_a＝L_c＝L₁、L_b＝L_d＝L₂，各电感之间的互感M_ab＝M_cd＝M₁、M_ad＝M_bc＝M₂，将式(1)中的逆矩阵定义为X，即有：

其中：

L_IICIB＝-(L₁L₂-2M₁M₂-M₁ ²-M₂ ²+L₂M_ac+L₁M_bd+M_acM_bd)(M₂ ²-2M₁M₂-M₁ ²-L₁L₂+L₂M_ac+L₁M_bd-M_acM_bd)

由两相交错磁集成boost变换器中开关管S₁、S₂的开通关断状态，建立变换器的平均状态方程，线性化后得到的结果如下：

其中，D代表开关管开通的占空比。由上述小信号模型，可得到变换器控制-输出传递函数Gv_d(s)的表达式为：

其中：

即本发明提出的变换器只要满足下述关系式，即可确保零点位置位于左半平面：

其中，k₁为L_a与L_b(同为L_c与L_d)间耦合系数，k₂为与L_d(同为L_c与L_b)间耦合系数，k_ac为L_a与L_c耦合系数。由上述分析可知，当本发明的变换器满足式(5)的关系时即为最小相位系统，动态特性相比非最小相位系统将有较大提高。

附图2表示以k₁为自变量时，零点位于左半平面的占空比D取值范围，其中用α表示电感量L₁与L₂间的比例，由附图2可知，当参数设计合理时，本发明的变换器可以在较宽占空比工作范围内均可满足最小相位系统，大大提高变换器的动态响应速度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种两相交错磁集成boost变换器，其特征在于：所述变换器包括电感L_a、L_b、L_c、L_d，开关管S₁、S₂，电容C₁、C₂；其中，电感L_a的异名端和电感L_b的异名端相连，电感L_c的同名端和电感L_d的同名端相连，电感L_a的同名端和电感L_c的异名端相连，电感L_b的同名端和电感L_d的异名端相连，开关管S₁的一端与电感L_a的异名端相连，S₁的另一端接地，开关管S₂的一端与电感L_c的同名端相连，S₂的另一端接地，电容C₁的一端与电感L_b的异名端相连，C₁的另一端接地，电容C₂的一端与电感L_d的同名端相连，C₂的另一端接地，电感L_a的同名端作为变换器的输入端，电感L_b的同名端作为变换器的输出端；所述开关管S₁、S₂的驱动信号相互交错180°，所述电感L_a、L_b、L_c及L_d共用同一磁芯。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述变换器满足：

<mrow> <mi>D</mi> <mo>&lt;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> </msqrt> </mrow> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中，D代表所述开关管的占空比，k₁为L_a与L_b间耦合系数，k₂为与L_d间耦合系数，k_ac为L_a与L_c耦合系数，L₁＝L_a＝L_c、L₂＝L_b＝L_d。

3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：在电感L_a和L_b之间连接有二极管D₁，D₁的正极接电感L_a的异名端，D₁的负极接电感L_b的异名端；在电感L_c和L_d之间连接有二极管D₂，D₂的正极接电感L_c的同名端，D₂的负极接电感L_d的同名端。

4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：在变换器的输出端并联有电容C_o，C_o的一端接变换器的输出端，C_o的另一端接地。