电源模块的并联使用技术常常在大功率电源中使用来

1、单电感交错级联正激变换器的分析与设计李典林 杨邦朝 电子科技大学 微电子与固体电子学院卞震霆 李旋球 李建辉 深圳振华微电子有限公司为了更小体积的变压器和电感，在大功率电源中经常使用电源模块的并联技术。磁性元件在电源变换器中很重要，在高功率密度和要求小体积的电源中往往决定体积大小，其选择和设计越来越重要。除了设计大尺寸集总式磁性器件来处理大功率外，高功率密度小体积的分布式磁性器件也可以用来处理大功率，让每个磁性器件只通过部分功率。并联工作在物理上分配了磁性元件体积和磁性元件的功耗以及热应力，还分散了半导体器件的功耗和热应力，因为每个模块只需处理部分的功率。结果，并联方式是消除电源变换器“热点”

2、的一个有效办法。此外，并联低功率模块的开关频率可以设置得比集中式大功率模块的频率高，因为低功率、更快速度的开关器件可以用在小功率模块上。综上所述，模块并联技术可以减少磁性元件的体积，使用小功率的半导体器件，为更小体积和更高功率密度提供一个方案。当然，此时并联模块必须能实现电流均流来得到功率平衡。一、方案提出和工作状态分析在这个前提下，交错并联技术可以看作并联技术的一种替代方案，每个开关管轮流工作一定相位，通过在并联模块中引入相等的相移，各个模块交替工作，并还能使进入到输出电容的总电感电流纹波因为相互抵消而变得更小。图1(a)和图1(b)是典型的正激和反激变换器的交错并联模式实现，通过在两个(或

3、者多个)并联模块中引入相等的相移，各个部分交替工作，输出滤波电容纹波因为纹波相抵消的作用而变得更小。同时，输入输出滤波电容上有效纹波频率随着交错并联模块的个数的增加而增加，结果使得输入输出滤波电容的大小得到减少。以下主要以正激变换器为分析对象，反激的分析也可用同样的方法。通常，感性输出滤波（正激）的交错并联的实现办法有两种，第一种是直接并联两个子模块的输出，这样他们共用一个输出电容（双电感模式），另一种方式是并联功率级在LC滤波器的输入端（单电感模式），即共用输出滤波电感和输出电容，并仅用了一个续流管。前一种模式分散了变压器和输出滤波电感，后一种模式只分散了变压器，并使得输出滤波器的体积最小，

4、来实现减少体积的目的。第二种模式交错并联对那些要求高功率密度和小体积的大功率电源很有吸引力，比如分布式电源模块。图1 交错并联的实现方式：（a）交错并联正激 （b）交错并联反激单电感交错并联方式,如图1(a)所示,为了减少一个磁性元件仅使用了一个输出电感,因为在单电感交错并联模式下,两个模块共用续流二极管和输出滤波器,所以这两个模块并不独立工作。图2 给出了谐振复位单管交错正激变换器的主要工作波形，下面详细分析其每个工作过程。为了简化分析，假定所有的半导体器件都是理想工作，比如开关管在导通的时候短路，关断的时候开路。此外，变压器等效为理想变压器和磁化电感和漏感。最后，电容和并联在开关管和上，代

5、表总的漏源间电容，通常和包括开关管的输出电容和外加的电容,如果有加的话。在稳态下，一个开关周期经过五个状态，分别 图2 单管交错正激变换器的主要波形如图3(a)-3(e)所示。在, 导通的瞬间之前,滤波电感电流流经续流二极管，同时二极管反向偏置,因为的磁心得到复位，结果是负值。以下是五个状态的分析：图3 交错并联正激的工作过程状态A 当时导通，滤波电感电流从续流管换流到整流管，如图3(a)所示。换流并不影响整流管的状态，保持关断。然而在导通之后，阴极上的电势从0（由前导通决定）增加到，结果要开启，必须使得阳极的电势达到。由于反向工作，在时导通之前，变压器处于复位状态，因为，施加到变压器初极的电

6、压是负电压，导通之后的复位继续，以谐振的方式（由和谐振决定）继续降低到。在单相谐振复位正激变压器中，因为整流管的钳位作用，开关管漏源间电压不能低于输入电压。即当达到，整流管正偏导通，开始传递次极反馈磁化电流。由于正向管以及续流管的瞬间导通，次级绕组被短路，被钳位到，然而图3所示的电路中，在，达到后，开关管电压继续降低到低于，直到状态A结束，此时被关断。状态B 在开关管关断之后，因为被磁化电流和次级输出滤波电感上的反馈电流之和所充电，开始谐振。充电电流为，如图3(b)所示。同时降低到低于，因为变压器仍然处于复位状态。直到，电压上升到，状态B结束。状态C 当在，电压上升到，续流管正偏，开始部分传递

7、电感电流，由于这个间隔里和都导通，如图3(c)所示。变压器的次级被短路，结果漏感和电容开始谐振，这使得电压增加到大于。同时的导通使得正偏，因为这使得阴极的电势降低到0，由于次级电压是正的，因为时，。由于导通，变压器的次级也短路，由于和的谐振，快速上升，如图2所示。在的时候，状态C结束，的漏感电流等于磁化电流，即：，导致二极管关断。状态D 这个状态中和均关断，由续流管上的电流提供，如图3(d)所示。结果变压器开始通过和的谐振来复位，同时和的谐振来对放电，使得朝降低。当在，=在状态D自然结束，但是应该注意到由于开关管的开启，这个状态也可能在达到之前结束。这种情况下，就没有经过状态E，半周期工作结束

8、。状态E 在时达到，正偏，磁化电流开始流经，如图3。12（E）所示。由于的次级短路，在整个状态E中保持恒定，而且在这个状态中，变压器的磁心继续复位。在，开启，状态E结束，开关周期的另一半开始。在剩下的这个半周期中，工作原理和前面的描述一样，除了开关管和的角色互换。二、实验结果与分析为了验证单电感交错级联正激变换器的工作原理，这里设计了一款工作频率为600KHz，输出电压为15V，输出功率为60W，工作电压为16-40V的电源模块。由上面的分析知道单个开关管的工作频率为300KHz，两管交替工作，使用谐振复位，实验结果测得的波形和理论分析的很一致，证明了理论分析的正确性和方案的可行性。实际设计的电源模块在满载下效率达到84%，半载下为86%，而且两个变压器交替工作可以选用更小的磁心，分散了单个磁心的热量，使得变压器上温升不高；而且开关管的工作频率不至于太高，减少了开关损耗和发热量，提高了模块的可靠性。实验中使用的各