李娜
（山东华宇工学院，山东 德州 253034）
0 引 言近年来，由于能源危机、环境污染等问题的日益严重，因此能源问题成了影响整个国际发展的一个重要因素，而如何能高效地利用能源成了当今社会的研究热点，越来越多的学者已开始关注光伏和燃料电池等新能源技术。但是由于新能源的发电效率受气候条件和天气变化的影响较大，从而使得输出电能不连续、不稳定，因此需要加入储能用的双向DC/DC变换器，使新能源能在不同的工作情况下都能稳定工作。因此本文研究的是双向DC/DC变换器中最基本的拓扑BUCK电路。
双向DC-DC变换器的发展趋势包括提高功率密度、提高变换效率、和改善可靠性等。随着微处理器技术的不断发展进步，其计算速度不断提高、功能逐渐地增强，一些新颖的控制方案也逐渐增长。在一些需要输出大电流的场合，比如新能源行业，常常使用的是交错并联技术，通过该技术可以有效较小输出电流纹波，本文就主要针对该技术对BUCK电流的单相-三相电路，应用PSIM软件进行分析研究。
1 交错并联技术的介绍交错并联是一种并联操作模式，M信道的并联交错是指各个并联通道的切换频率一致，但在导通时间内，依次错穿过 M信道的时间。例如，用两信道的并联技术来说，它的并联运作方法有三种情形：（1）在两个信道同步触发的情况下，所有的电路都类似于单一信道；（2）两个信道相对于相互独立的触发，其触发频率不完全一致，而两个信道的输出电流纹波具有随机相消或叠加的；（3）在同一频率下，各信道的触发控制信号相互交错，因此，输出电流的纹波可以互相抵消，从而极大地减少，而输出纹波的频率也随之增加为了单一信道2倍。从以上的分析可以看出，交错并联是指并联运行的各信道的控制信号的频率一致，但是它具有相位是并联运行的模式。
与常规单相电路结构相比较，多相交错并联采用交错叠加相消的方法，使变换器的总输出电感电流纹波比各个相小。交错并联技术认为，可以有效地提高 DC开关变流器的频率和微小的化。同时，本文还介绍了交错并联技术的优势。
（1）在同样的开关频率下，交错控制能降低输出纹波，使输出电流的频率增大并联相信，从而有效地减小转换器的体积，从而有利于输出滤波网络及电磁干扰的设计；
（2）多个模块并联系统中，每个模块的功率只为总功率的1/N，有利于功率和热量的均匀分布；
（3）多相并联反映了冗余设计概念，确保了系统的稳定、可靠工作。
2 单相BUCK变换器原理介绍单向BUCK变换器的拓扑如图1所示。
图1 BUCK变换器的电路结构图
其中输入电压为，输出电压为，电感参数为L1，电容参数为C1。则有以下分析：
在功率开关管Q导通的情况下，L1电流增大，因为C1的电压很小，因此L1电流增大的速度比稳定，而C1会被充电，从而使C1的两端的电压不断上升；在Q关断的情况下，二极管D在导通状态下，L1上的电压与电流方向相反，从而降低了L1的电流。在此变换器开始，由于各周期电感电流的增加，其减量比其减量大，而C1两端电压在周期中处于充电状态，而当切换周期的增大时，各切换周期的电感电流值会随时增大，直到C1两端的电压达到稳定值U2，这时，电感电流的增加和减量是一致的，而变换器的工作处于稳定状态。因此有以下计算：
当开关管Q导通，二极管D截止，电感L1上的电压为：
若在这期间输出电压保持不变，根据KVL定律则有：
显然d=，其中为开关管的导通时间。
则导通过程的电流变化为：
又因为电感的电压公式为：
显然d=，=（1-）。则导通过程的电流变化为：
导通与关断期间电感中的电流变化量相等，电路才能达到平衡。
如图2所示是单相BUCK变换器的仿真图，输入电压为，输出电压为，通过仿真可以得到，当频率为800 Hz，输出电压从0～1 000 V变化时，电感电流的纹波变化曲线图如图3所示。从图中可以分析看出，在单相BUCK电路中，电感电流纹波最大值是在输出电压在输入电压的一半处，根据这个规律，在设计变换器时，可以避免设计二分之一输出电压这个规格。
图2 单相BUCK变换器仿真图
图3 电感电流的纹波变化曲线图
2.2 电感纹波的理论计算
同样也可以计算出输出电压的纹波，当电路处于稳定状态时，认为流进输出电容的纹波电流等于电感的纹波电流：
电容上的 电压变化值为：
从图4中可以看出，双相BUCK变换器的模拟图中，通常使用两个开关管的交错。利用两个切换管的脉宽相等，但导通时间差异，使交错并联。其中，输入电压是的，而输出电压是最大的。在此电路中，由于两个通路的电流相位不同，其纹波互相抵消，从而减少了输出电流的总纹波。以下是S1开关管任意一个导通时间，并对其工作状况进行了分析：
图4 双相BUCK变换器仿真图
阶段1，切换管S1接触开通，二极管D2续流，切换管S2和二极管D1截止，电感L1存储能量，同时电流升高，电容C1在充电状态。
阶段2，开关管S1及S2均截止，二极管D1及D2续流状态，电感L1及L2的电流降低，电容C1在放电状态。
阶段3，切换管S2接触开通，二极管D1续流，切换管S1及二极管D2截止，电感储存能量的同时，电流升高，电容C1在充电状态。
阶段4，开关管S1及S2均截止，二极管D1及D2续流状态，电感L1及L2的电流降低，电容C1在放电状态。
通过仿真也可以得到，当频率为800 Hz，输出电压从0～1 000 V变化时，电感电流的纹波变化曲线图如图5所示。在双相BUCK电路中，电感电流纹波最大值是在输出电压在输入电压的四分之一与四分之三处，根据这个规律，在设计变换器时，可以避免设计该输出电压的这个规格。
图5 电感电流的纹波变化曲线图
同理根据之前的推算可以得到两相输出电压纹波的理论计算：
根据之前对单相的分析，可知对于两相电路，流进输出电容的纹波电流相当于Δ和Δ的叠加，则有：
则电容上的电压变化值为：
如图6所示是三相BUCK变换器的仿真图。图中输入电压为，输出电压为，通过仿真，可得到，在频率是800 Hz，输出电压从0～1 000 V变化时，通过分析输出电流纹波的变化曲线图，有最大纹波在输入电压的六分之一处的关系。
图6 三相BUCK变换器仿真图
三相BUCK变换器输出电压纹波的理论计算：
根据之前对单相和两相的分析。可知对于三相电路，流进输出电容的纹波电流相当于Δ、Δ和Δ的叠加，则有：
则电容上的电压变化值为：
交错并联技术能有效降低每个信道流动的电流，减少输出总电流的纹波和开关损失，减少电容、电感取值的降低，使整个电路的体积下降，功率密度增大。本论文总体上对交错并联的基本原理、变换器的工作流程进行了深入的分析，并对单相、双相和三相 BUCK变换器进行了深入的探讨，分析得出每相电路的最大纹波的位置，并且得出了三相BUCK变换器能更好地减小电流纹波系数和和电压纹波系数，这可以很大程度上提高变换器的性能，并且在对蓄电池充放电时，纹波越小，也能更好地保护电池。
