两相交错并联DCDC耦合电感设计

∗
=*
∗
∗
=*
∗
输出电流纹波为：
=*
2）S3/S4 导通，S1/S2 不导通。VL1= -Vout VL2=-Vout
VLk1=Lk = -Vout-Vlm Vlk2=Lk =Vlm-Vout
()
Lk*
= -Vout-Vlm-Vlm+Vout= -2Vlm 联合Vlm = Lm ∗ = Lm ∗
可达到 VLm=0, Lk = -Vout-Vlm=-Vout Lk = -Vout
∗( )
下降。根据计算公式单个电感的电流纹波为：△ iL =
，而通过上面的分析，输出
∗
∗( )
电流的纹波应该为 L1/L2 的和：△ io =
∗
我们可以把单个 buck 电路和交错并联电路做个对比;
单相 buck
交错并联 buck
电感电流纹波
Vout ∗ (1 − D) △ iL =
L∗f
Vout ∗ (1 − D) △ iL =
,
两个绕组的电压表达式为:VL1 = Vlm + Vlk1和VL2 = Vlk2 − Vlm。 接下来需要分析各个工作过程的数学表达式： 1）S1/S4 导通，S2/S3 不导通。VL1=Vin-Vout VL2=-Vout
VLk1=Lk1 =Vin-Vout-Vlm Vlk2=Lk2 =Vlm-Vout (Lk1=Lk2=Lk)
L ∗f
输出电流纹波
Vout ∗ (1 − D) △ iLo =
L∗f
Vout ∗ (1 − 2D) △ io =
L∗f
交错并联电路减小了输出电流的纹波，但是单个电流的纹波并没有减少，我们需要进一步
分析交错并联耦合电感的作用。
交错并联耦合 buck 电路 耦合电感电路的电压电流波形为：
电路结构没有变化，唯一不同的就是用耦合电感替代两个独立的电感，那么电路一个周期 的工作过程为：S1/S4 导通，S2/S3 不导通；S3/S4 导通，S1/S2 不导通；S2/S3 导通，S1/S4 不导通；S3/S4 导通，S1/S2 不导通。与独立电感的工作过程是一样的，不同的是我们要考 虑耦合系数和漏感的因数。先分析下耦合电感(反向耦合)的电路模型，
耦合电感的两个线圈圈数相同,圈数比为 1:1，则次级反射到初级的电流为 i2，初级的激励 电流为 im=i1-i2。很多人不理解激励电流的概念，一个最简单理解这个概念的例子就是单端 正激变压器。交变的电压加在变压器初级两端，次级会产生相应的电压，我们都知道只有电
()
流的变化才能产生变化的磁场，这其中就有激励电流的产生,Vlm = Lm ∗ = Lm ∗
两相交错并联 buck 电路
交错并联 buck 电路的工作电压电流波形为：
交错并联 buck 电路一个周期的工作过程为：S1/S4 导通，S2/S3 不导通，电感 L1 电流上 升，电感 L2 电流下降；S3/S4 导通，S1/S2 不导通，电感 L1/L2 电流下降；S2/S3 导通，S1/S4 不导通，电感 L1 电流下降，电感 L2 电流上升；S3/S4 导通，S1/S2 不导通，电感 L1/L2 电流
()
Lk*
=Vin-Vout-Vlm-Vlm+Vout=Vin-2Vlm 联合Vlm = Lm ∗ = Lm ∗
可知：Vlm=
*Vin
定义 Ls 为电感的自感，K 为耦合系数，则 Lm=K*Ls Lk=Ls-Lm=(1-K)*Ls
Vlm=
Vin= *Vin
带入表达式到 VLk1=Lk1 =Vin-Vout-Vlm Vlk2=Lk2 =Vlm-Vout 可得到：
我们还需要提供储能磁路以及增强漏感，如果没有额外的磁路，漏感只能通过空气耦合。 这样漏感会很小。
这样中间增加磁路后，电感有了储能回路，漏感也得到了增强。当然我们还可以在外边增 加磁路，但是这样成本和体积都没有优势。
根据上面的分析，我们设计一款 48V 输入，12V 输出，输出电流 150A 的交错并联耦合电感。=Leabharlann =输出电流纹波为：
=
3）S2/S3 导通，S1/S4 不导通。VL2=Vin-Vout VL1=-Vout
VLk2=Lk =Vin-Vout-Vlm Vlk1=Lk =Vlm-Vout
∗
=*
∗
∗
=*
∗
输出电流纹波为：
=*
4）S3/S4 导通，S1/S2 不导通。VL1= -Vout VL2=-Vout
VLk1=Lk = -Vout-Vlm Vlk2=Lk =Vlm-Vout
()
Lk*
= -Vout-Vlm-Vlm+Vout= -2Vlm 联合Vlm = Lm ∗ = Lm ∗
可达到 VLm=0, Lk = -Vout-Vlm=-Vout Lk = -Vout
=
=
输出电流纹波为：
=
经过上面的工作过程分析，可以得到电感电流纹波和输出电流计算公式：
两相交错并联 DCDC 耦合电感设计 多相 dcdc 变换器在现代电力电子设备中被大量使用，因为它可以减少电路中开关器件和 无源器件的应力，减少输出电流的纹波。虽然输出电流的纹波可以减少，但是单个电感的纹 波没有变化，还是有很大的纹波，使用耦合电感是减少电感纹波电流的一种有效的方法。
单相 buck 电路 常规的单相 buck 电路就不适合使用在大电流的应用场合，一个 200A 的电感，需要占用 很大的体积，并且产生很大的铜线损耗和磁芯损耗。下面以一个 24V 输入，12V 输出，输出 电流 200A,工作频率 100KHz 的应用简单计算电感的损耗。
Vo(1 − D − KD)
△ il =
∗ Ts
Lk(1 − K)
Vo △ io = (1 − 2D) ∗ Ts
Lk
根据输出电流纹波计算公式，若是漏感值与独立电感的值一样，那么输出电流的纹波与非 耦合电感的一样。而电感的纹波电流与耦合系数和占空比有关。为了降低输出电流纹波，需 要较大的漏感，需要同时降低电感的纹波电流，需要大的耦合系数。这样的要求在普通的结 构中很难实现，因为耦合越好，漏感越小。所以我们需要不一样的绕组结构。简单分析下： 两个线圈的耦合好，那么需要磁阻较小的磁路。