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通信电源系统主要由高频AC/DC整流器、电池,及后级DC/DC变换器组成,一般需要使用高功率的Boost前端变换器,作为整流器或电池与后端变换器的工作介面。这样,提高Boost前端变换器的功率密度、工作效率、可靠性,将成为优化整个通信电源系统电气特性的关键因素之一。
多相交错并联技术可有效地增加输出电流纹波的开关频率、降低输出纹波的幅度而并不增加器件的应力,且能提高变换器的工作效率,均分功率损耗以改进系统运行的可靠性。多相交错并联结构由于具有上述种种优点,因而成为大功率DC/DC Boost变换器的首选拓扑。
但是多相交错并联技术仅仅降低了输出或输入总的电流纹波,如果使用较小的电感,每个通道内的电感电流将仍然存在较大的纹波。由于多相交错并联技术不能改进通道内较大的电流纹波,这样功率开关管上的导通与开关损耗与电感中的铜损将会较大,这些损耗构成了变换器损耗的较大部分。同时,与传统变换器相比,交错并联技术增加了电感的数量与控制电路的复杂性,而采用耦合电感磁集成技术不但能克服这个缺点,还可以降低功率损耗。这种结构可达到与未采用耦合磁芯结构的多相变换器中较低输出与输入纹波的相同效果,同时还能减小交错并联各通道内的电流纹波。
基于集成磁件的电路拓扑与传统变换器类似,同样会存在电路中元器件电气参数的变化与输入电源及负载的小信号扰动等因素,如果反馈环控制电路未能及时修正误差或者扰动量超过一定数值的话,系统将可能无法回到其稳态工作点。因此,对电路的动态特性进行建模与分析是合理设计反馈环控制电路的关键。
状态空间平均法能获得PWM DC/DC变换器的多种动态特性,但在存在较多元件的情况下,其计算过程会比较繁琐。信号流图非线性建模方法是状态空间平均法图形化的发展,两者具有相似的小信号模型。信号流图建模方法具有多种优点,并可扩充至包含有多种工作状态的变换器及交错关联的电路拓扑中。
本文提出了一种新型的磁集成结构以简化多相交错并联Boost变换器的电路拓扑及其电气特性,并且方便实际的批量生产,通过合理的绕组与气隙安排,将
交错并联各通道的全部电感集成在一对独立的磁芯上,能够降低主电感的体积与重量,减小交错并联各通道电感绕组与主功率器件的损耗,可应用于通信电源的前端变换器中。同时,使用π模型深入分析了这种磁集成结构的特点,并以两相作为多相交错并联的例子,详细分析了这种Boost变换器的工作原理与实际设计,以达到高功率密度、高工作效率,与高可靠性的要求。同时,采用信号流图非线性建模方法,建立了所提出电路拓扑工作于峰值电流模式控制与电流连续模式的统一动态模型,及各种开环小信号传递函数:从输入电压到输出电压即音频衰减度:从输出电流到输出电压即输出阻抗;从输入电流到输入电压即输入阻抗;从控制电压到输出电压等。最后通过仿真分析与实验测量,证明了这种建模方法的有效性。