电气工程学报, 2015, 10(8): 1-13 doi:

综述

DC-DC变换器的交错并联磁集成技术研究综述

杨玉岗, 代少杰, 赵若冰, 万冬

辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 葫芦岛 125105

State of the Art of Interleaving and Magnetic-Integration Technology for DC-DC Converters

Yang Yugang, Dai Shaojie, Zhao Ruobing, Wan Dong

Liaoning Technical University Huludao 125105 China

责任编辑: 杨晓花

收稿日期: 2015-03-19   网络出版日期: 2015-08-25

基金资助: 国家自然科学基金资助项目.  51177067

Received: 2015-03-19   Online: 2015-08-25

作者简介 About authors

杨玉岗 男 1967 年生,博士,教授,博士生导师,主要研究领域为电力电子变换器及其磁集成技术。

代少杰 男 1991 年生,硕士研究生,主要研究领域为电力电子变换器及其磁集成技术。

摘要

交错并联磁集成技术已经成为电力电子领域的研究热点之一。在介绍内燃机和电力系统的交错并联技术的基础上,引出电力电子的交错并联磁集成技术。首先介绍了各种非隔离型和隔离型DC-DC变换器的交错并联磁集成技术及其最新研究成果和应用情况;接着比较了内燃机、电力系统和电力电子三种交错并联技术;最后指出当前我国对于交错并联磁集成技术的研究在国际上并不落后,但人们对隔离型DC-DC变换器的交错并联磁集成技术的研究还相对较少,建议今后加强这方面的研究。展望未来,电力电子的交错并联磁集成技术将像内燃机和电力系统的交错并联技术一样得到更大的发展,并且为工业和国民经济的发展做出重大贡献。

关键词： 电力电子 ; 交错并联 ; 磁集成 ; 非隔离/隔离 ; DC-DC变换器

Abstract

Interleaving and magnetic-integration technology is becoming a research focus in power electronics. On the basis of introducing the interleaving technologies of combustion engine and power system, this paper draws forth interleaving and magnetic-integration technology of power electronics. At first, the interleaving and magnetic-integration technologies of various non-isolated and isolated DC-DC converters and their updated research results and application are introduced. Secondly, three kinds of interleaving technologies of combustion engine, power system and power electronics are compared in the paper. Finally, it is pointed out that the research of interleaving and magnetic-integration technologies in China is not backward in the world; the research of interleaving magnetic-integration technologies in isolated DC-DC converter is relatively less, therefore it should be enhanced; just like the interleaving technologies of combustion engine and power system, the interleaving and magnetic-integration technology of power electronics will gets a bigger development and makes a great contribution to industry and national economy.

Keywords： Power electronics ; interleaving ; magnetic-integration ; non-isolated/isolated ; DC-DC converter

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本文引用格式

杨玉岗, 代少杰, 赵若冰, 万冬. DC-DC变换器的交错并联磁集成技术研究综述. 电气工程学报[J], 2015, 10(8): 1-13 doi:

Yang Yugang. State of the Art of Interleaving and Magnetic-Integration Technology for DC-DC Converters. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(8): 1-13 doi:

1 引言

所谓交错并联（interleaving）,就是将一个较大的周期性动力源分成若干个较小的动力源,让这些较小的动力源按照相同的频率以一定的相位差工作,从而增大周期性动力源的有效工作频率[1]。交错并联技术已经在多个工程领域得到成功运用。众所周知,在机械工程领域,内燃机按照气缸数目的不同分为单缸发动机和多缸发动机[2],如图1、图2所示。在多缸发动机中,各个气缸都连接至一根曲轴上,依次起动各个气缸,使各个气缸的做功冲程错开一定的相位,在不增加单个气缸工作频率的情况下,通过增加气缸的数量增加气缸总的工作频率和总输出功率,并降低总输出转矩脉动,这应该是交错并联技术在机械工程领域最成功的应用实例。当前,并联的气缸总数最多可达到12缸。在电力系统领域,自从1891年德国在劳芬电厂安装了第一台三相100kW交流发电机并通过第一条三相输电线路送电至法兰克福以来[3],电力系统中的交流发电（发电机）、变电（变压器）、输配电（输配电网络）、用电（三相交流电动机）都是三相运行（三相并联,相位互差120°,也属于三相交错并联）,如图3所示,实现了电力系统的“大机组、大电网、高电压和大容量”,这应该是交错并联技术在电力系统领域最成功的应用实例。

图1

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图1   车用多缸发动机

Fig.1   Multi-cylinder engines used in vehicle


图2

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图2   喷气式飞机用星形五缸发动机

Fig.2   5-cylinder star class engines used in jet plane


图3

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图3   三相交错并联的电力系统

Fig.3   3-phase interleaving power system


在电力电子领域,交错并联技术很早就在电能变换方面得到应用,如三相可控整流电路、三相逆变电路、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路、多重化整流电路等[4]。在大功率电能变换电路中,电力电子器件所承受的电压或电流应力超出了其所能承受的范围,于是提出将多个器件进行串联或并联以解决上述问题,但同时带来了均压和均流的问题。其中,解决均流问题的方法是进行变换器并联乃至交错并联,这是因为交错并联技术具有扩充容量、消除谐波、提高效率和功率密度、易于热量管理等优点。在此方面的一个成功实例是超导磁能存储系统[5],该系统中,电力电子器件的电流应力非常高,器件的开关损耗也随着开关频率的提高而成比例增加,其解决方案就是采用多个交错并联的三相电流源变换器,将一个很大的电流分成几个较小的部分,使得GTO等器件可以承受较大的电流应力并降低导通损耗。此外,还有静态无功发生器（SVG）[6]、高压直流输电（HVDC）[7]等。在中小功率电能变换电路中,交错并联技术也很早就得到应用[8,9,10],其主要目的是为了减小输入和输出滤波器,这是因为交错并联技术可以使流入滤波器的开关脉冲电流的幅值成倍减小,以及脉冲电流的频率成倍提高。合理选择交错并联的通道数量和占空比,还可以实现零纹波电流,从而大大减小滤波器的体积。此外,交错并联技术还可以改善变换器的热量管理,进行模块化制造,实现产品的并联冗余和在线热备份,易于扩充容量[11]。总之,电力电子的交错并联技术已经得到大量研究和应用[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。

在电力电子领域,还有一种叫做磁集成（magnetic-integration）的技术。根据文献[17]的定义,所谓磁集成技术,就是将变换器中的两个或多个分立磁件绕制在一副磁心上,从结构上集中在一起,集中后的磁件称为集成磁件。本文在此基础上,试图对磁集成技术的定义进行完善：所谓磁集成技术,就是为了提高电力电子变换器的性能,通过一定的磁场耦合方式和合理的参数设计,将电力电子变换器中实现单一功能的两个或两个以上磁性元件（即电感和变压器,简称磁件）从结构上集成为实现多种功能的一个复合磁性元件（简称集成磁件）的技术。电力电子变换器采用磁集成技术以后,可以减少磁件的数量,减小磁件的总体积,降低磁件的损耗,减小变换器的输入、输出电流纹波,提高变换器的动态响应速度[18,19]。在交错并联的电力电子变换器中,有时采用磁集成技术[20,21],结合交错并联技术和磁集成技术的优点,进一步提高变换器的性能,本文称其为电力电子的交错并联磁集成（interleaving and magnetic-integration）技术。

近年来,在电力电子技术领域,关于交错并联方面的论文逐渐增多[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30],以国际电力电子界最知名的刊物《IEEE Transactions on Power Electronics》为例,截止2013年10月27日,共检索到关于“interleaving”方面的论文189篇,其中,最早的一篇论文发表于1988年[23],在最近5年里（2008年1月1日以后）,共检索到论文145篇,在最近3年里（2010年1月1日以后）,共检索到论文116篇。而关于“交错并联（interleaving）+磁集成（magnetic-integration）”和“交错并联（interleaving）+磁耦合（magnetic coupled）”方面的论文,总共有48篇[20,22,31-32],最早的一篇论文发表于2001年[20],在最近5年里（2008年1月1日以后）,共检索到论文40篇,在最近3年里（2010年1月1日以后）,共检索到论文32篇。再看看国内的情况,截止2013年10月27日,在中国知网上共检索到关于“交错并联”的期刊论文228篇,其中,最早的一篇论文发表于1999年[33],在最近5年里（2008年1月1日以后）,共检索到论文159篇,在最近3年里（2010年1月1日以后）,共检索到论文122篇。而关于“交错并联（interleaving）+磁集成（magnetic–integration）”和“交错并联（interleaving）+磁耦合（magnetic coupled）”方面的论文,总共有56篇[21,34-35],在最近5年里（2008年1月1日以后）,共检索到论文43篇,在最近3年里（2010年1月1日以后）,共检索到论文31篇。这说明,无论是在国外还是国内,交错并联技术及其磁集成技术正在成为电力电子领域的一个研究热点。

本文首先分析非隔离型和隔离型DC-DC变换器的交错并联技术及其磁集成技术的发展概况;然后,将DC-DC变换器的交错并联及其磁集成技术与已经发展得很成熟的内燃机的交错并联技术和电力系统的交错并联技术进行对比,力求对DC-DC变换器的交错并联及其磁集成技术进行客观综述;最后得出一些有价值的结论,以求抛砖引玉,对DC-DC变换器的交错并联技术及其磁集成技术的发展做出力所能及的贡献。

2 非隔离型DC-DC变换器的交错并联磁集成技术

众所周知,DC-DC变换器分为非隔离型和隔离型两种,其中,最基本的两种非隔离型DC-DC变换器是Buck和Boost变换器,所以本文主要介绍这两种非隔离型DC-DC变换器及其双向变换器的交错并联磁集成技术;在隔离型DC-DC变换器中,常用的有反激、正激和桥式变换器,所以,在介绍这三种变换器的交错并联磁集成技术基础上,再介绍双向桥式DC-DC变换器的交错并联磁集成技术。

2.1 Buck变换器的交错并联磁集成技术

对交错并联磁集成Buck变换器研究最多和最深入的方面是关于多通道交错并联磁集成Buck变换器在非隔离型电压调整模块（VRM）中的应用研究[15-16,20,22,35-37]。

根据摩尔定律,集成电路中晶体管的数量每两年增加1倍,在过去50年中,Intel公司微处理器和存贮器中晶体管数量的变化趋势如图4所示,截止到2010年,Intel公司每个微处理器芯片上晶体管的数量达到100亿只。为了适应CPU中晶体管数量的增加,要求其供电电源的功率达到130W,电压降至1V,电流增加至150~200A,如图5所示;为了满足CPU时钟频率加快（4GHz）的要求,其供电电源的电流变化率（暂态响应速度）也相应增大。

图4

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图4   Intel公司微处理器中晶体管数量变化趋势

Fig.4   The number of transistors integrated on the die for Intel microprocessors


图5

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图5   Intel公司CUP电源的电压和电流变化趋势

Fig.5   Intel microprocessors’ power road map


为了满足CPU的上述供电需求,其供电电源—VRM采用多相交错并联Buck变换器拓扑结构,并印制在计算机主板上,如图6、图7所示。

图6

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图6   多通道交错并联同步整流 Buck 变换器

Fig.6   A multi-phase interleaved synchronous Buck converter


图7

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图7   计算机主板上的VRM

Fig.7   VRM on computer mother board


2.1.1 交错并联技术降低电流纹波幅值,提高纹波 频率

VRM采用交错并联Buck变换器拓扑之后,可以降低输出电流纹波,提高纹波频率[15],如图8所示,在某些占空比条件下,可以实现零纹波,如图9所示,且交错并联的通道数（或称为相数）越多,纹波降低越多,纹波频率提高越多,减小了输出滤波电容,从而节约了成本,减小了体积,提高了功率密度。

图8

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图8   交错并联Buck变换器降低输出电流纹波

Fig.8   Output current ripple reduced with interleaving Buck


图9

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图9   交错并联Buck变换器降低电流纹波

Fig.9   Current ripple cancellations in multiphase Buck converter


交错并联Buck变换器还能减小输入电流幅值,提高输入滤波电流频率,从而减小输入滤波电容量,降低电容损耗,延长电容寿命,如图10所示。

图10

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图10   单相Buck变换器和四相Buck变换器的输入电流比较

Fig.10   Input currents of single-phase Buck and 4-phase Buck


2.1.2 交错并联技术提高轻载效率

当交错并联的变换器工作在轻载时,通过减少并联工作的通道数,可以消除不工作通道的器件损耗,从而提高轻载效率,使变换器实现全负载范围的高效率,如图11所示[11]。

图11

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图11   交错并联Buck变换器可以提高轻载效率

Fig.11   Efficiency improvement by optimizing number of phases of interleaving Buck converter


2.1.3 交错并联技术提高变换器容量

随着CPU的不断发展,其功率消耗越来越大,采用交错并联技术,正好可以满足这一发展需求,通过多年来的不断优化,单相20A的Buck变换器单元已经成为工业标准,如果CPU的功率需求增加,只要增加并联的20A的Buck变换器单元即可,从而缩短产品设计和制造周期,降低成本,如图12所示。当前,由交错并联Buck变换器构成的VRM电源已经在分布式电源系统中得到成功应用,并成为工业标准,如图13所示[22]。

图12

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图12   交错并联Buck 变换器用于VRM

Fig.12   Interleaving Buck converter used in VRM


图13

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图13   分布式电源系统及其交错并联VRM

Fig.13   Distributed power system architecture with multi-phase VRM


2.1.4 交错并联磁集成技术提高变换器稳态和暂态 性能

整体来看,多相交错并联Buck变换器的优点表现在：成倍提高变换器的容量;提高了轻载效率;电源功率通过各相分布传输,便于热量管理;提高了输出电流纹波频率,减小了输出电容的ESR;减小了输出电流纹波,从而减小了输出电压纹波和输出电容的用量,或者保持输出电流纹波不变时采用小电感从而提高了暂态响应速度。

然而,多相交错并联Buck变换器用于VRM时,也有一些不足,主要表现在：只能减小总输出电流纹波,而不能减小每相电感电流的纹波;如果为了提高暂态响应速度而采用小电感,则每相电感电流纹波会增大,从而使开关管的导通损耗和开关损耗增大,电感的铜耗增大,变换器的效率降低,所以普通交错并联Buck变换器的效率指标和暂态响应速度指标是一对矛盾。文献[15]提出采用磁集成耦合电感结构及等效稳态电感和等效暂态电感的概念解决了这一矛盾,即将交错并联Buck变换器的各相输出电感通过磁场反向耦合的方式集成为一个耦合电感,形成交错并联磁集成Buck变换器,如图14所示,图中M<0为互感,通过改变耦合系数k = M/L和占空比D的值,使得等效稳态电感增大以减小变换器的稳态输出电流纹波,等效暂态电感减小以提高变换器的暂态响应速度。文献[15]中Buck 变换器采用交错并联磁集成技术,使变换器在稳态和动态时的等效电感值不同,既保证了稳态时较高的效率,又具有良好的动态特性,使得变换器的满载效率提高了2%,轻载效率提高了10%。

图14

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图14   交错并联磁集成Buck变换器

Fig.14   Interleaving and magnetically-integrated Buck converter


以图14b所示三相交错并联磁集成Buck变换器为例,三相交错并联电感耦合与非耦合的稳态相电流纹波之比如图15所示,电感耦合情况的稳态相电流纹波均小于非耦合情况,占空比D越大,耦合越强,则稳态相电流纹波减小越多。耦合与非耦合情况下暂态总输出电流响应速度之比如图16所示,耦合情况的暂态总输出电流响应速度均大于非耦合情况,占空比D越大,增大越多;反向耦合越强,增大也越多。文献[34]给出了三相交错并联磁集成Buck变换器的设计准则,如图17所示,在曲线下面的阴影区域内,在暂态总输出电流响应速度增大的同时可以减小稳态相电流纹波,且D和|k|越大,该区域也越大。

图15

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图15   电感耦合与非耦合情况下稳态相电流纹波之比

Fig.15   Steady phase current ratio of coupling and non-coupling


图16

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图16   电感耦合与非耦合情况下暂态相电流响应速度之比

Fig.16   Transient phase current response speed ratio of coupling and non-coupling


图17

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图17   三相交错并联磁集成Buck变换器的设计准则

Fig.17   Design criterion for interleaving and magnetically integrated Buck converter


2.1.5 交错并联磁集成耦合电感的实现

图14a中由两个分立电感集成为一个非耦合集成电感的过程如图18所示[36],图中,集成电感中的两个电感产生的磁通都通过铁心中柱,中柱磁通Φc的波形如图19所示,Φc小于Φ1和Φ2,即中柱磁通纹波减小,从而使中柱铁心损耗减小。由非耦合集成电感变为耦合电感的过程如图20所示[15],通过在铁心中柱上加气隙,并且与铁心侧柱的气隙相等,改善了非耦合电感结构的机械稳定性,降低了铁心的制造难度,降低了制造成本,最关键的是使两个电感产生了磁场耦合,从而提高交错并联Buck变换器的稳态和暂态性能,如图21所示。

图18

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图18   由分立电感集成为非耦合电感

Fig.18   Integrated inductors composed with discrete inductors


图19

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图19   非耦合集成电感铁心中柱的磁通纹波减小

Fig.19   The integrated inductor structure has a flux ripple cancellation effect in the center leg


图20

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图20   由非耦合电感变为耦合电感

Fig.20   Coupling inductors changed with non-coupling inductors


图21

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图21   耦合电感减小电感电流纹波

Fig.21   Inductor current ripple reduced with coupling inductors


2.1.6 磁集成耦合电感的几种典型结构

耦合电感的几种典型结构如图22所示。

图22

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图22   耦合电感的几种典型结构

Fig.22   Several typical structures of coupling inductor


2.1.7 耦合电感器所用高频磁性材料

耦合电感器所用高频磁性材料损耗密度与频率的关系如图23所示[37]。

图23

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图23   高频磁性材料损耗密度与频率的关系

Fig.23   Core loss density of different magnetic materials


2.1.8 交错并联磁集成Buck变换器的优点

综上所述,交错并联磁集成Buck变换器的优点主要表现在：可以减少电感元件数量;提高稳态工作效率;提高暂态响应速度;减小每相电感电流纹波,可减小电感铜损;减小磁心中柱的磁通纹波,可减小电感铁损;由于每相电流减小而减小开关损耗及电流应力。

2.1.9 交错并联磁集成Buck变换器的应用领域

交错并联磁集成Buck变换器的可能应用领域如图24所示。

图24

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图24   交错并联磁集成Buck 变换器的应用领域

Fig.24   Application field of interleaving and magnetically-integrated Buck converter


2.2 Boost变换器的交错并联磁集成技术

交错并联和交错并联磁集成Boost变换器的电路拓扑分别如图25、图26所示。交错并联Boost变换器最早用于功率因数校正（PFC）电路,近年来又用于混合动力车、光伏发电和LED照明等。交错并联磁集成Boost变换器的一个典型应用实例是AC-DC前端功率因数校正（PFC）电路[11],下面进行详细介绍。

图25

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图25   交错并联Boost变换器

Fig.25   Interleaving Boost converter


图26

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图26   交错并联磁集成Boost变换器

Fig.26   Interleaving and magnetically-integrated Boost converter


2.2.1 AC-DC前端变换器所面临的挑战及解决 方案

在分布式电源系统中,AC-DC前端变换器所面临的挑战是如何扩充容量、提高效率和功率密度。高功率意味着节约成本,在有限空间内安装更多设备;受经济和环境的影响,在全负载范围内实现高效率变得越来越重要;由于IC技术的快速发展,AC-DC前端变换器的寿命周期越来越短,扩充容量成为一个有效的解决方案。然而,器件的开关损耗和反向恢复损耗成为限制效率提高的主要因素;EMI滤波器、PFC电感、电容和DC-DC变换器的电感等无源元件的体积成为影响功率密度的主要因素;原有的单通道Boost拓扑成为限制扩充容量的主要因素。解决这些问题的一个有效办法是采用交错并联磁集成技术,这是因为通过交错并联,虽然总的开关频率得到提高,但每个通道的频率并没有提高,在轻载时可以减少工作的通道数,故可以减小器件损耗,提高效率;由于总开关频率的提高并采用磁集成技术,可以减小无源元件的体积,提高功率密度;通过交错并联,可以实现模块化,使扩容变得很容易。

2.2.2 交错并联磁集成Boost和Buck变换器的 比较

Boost变换器和Buck变换器实际上具有相同的电路拓扑,只是功率流的方向相反,因而,交错并联技术对二者的影响也相似,交错并联磁集成Buck对输入和输出电流纹波的影响也适用于交错并联磁集成Boost变换器,交错并联磁集成Buck变换器的研究成果也可以用于交错并联磁集成Boost变换器,如消除电流纹波、平均分布热应力、模块化和扩容性等。分布式电源系统可以升级为如图27所示的结构,其前端PFC电路也可以采用交错并联磁集成Boost拓扑结构。

图27

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图27   采用交错并联VRM和PFC的分布式电源系统

Fig.27   Distributed power system architecture with multi-phase VRM and multi-phase PFC


交错并联Buck变换器用于VRM和交错并联Boost变换器用于PFC的对比如表1所示。与交错并联磁集成VRM相似,耦合电感也可以用于交错并联Boost变换器,形成交错并联磁集成PFC,其优点如表2所示。

表1   交错并联Buck和Boost变换器的对比

Tab.1  Comparison for interleaving buck and boost converter

交错并联Buck变换器用于VRM交错并联Boost变换器用于PFC
提高功率密度减小电感,提高暂态性能提高功率密度电感不变,保持效率相同
减小输出电流纹波,减小输出滤波器减小输入电流纹波,减小EMI滤波器
减小输入电流纹波,减小输入滤波器减小输出电流纹波,可减小输出电容
热应力分布更加均匀热应力分布更加均匀
降低成本（减小电容、标准化设计）降低成本（减小电容、标准化设计）
扩容性（适应未来CPU的功率需求）扩容性（适应未来服务器的功率需求）
提高轻载效率（相屏蔽）提高轻载效率（相屏蔽）

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表2   交错并联磁集成Buck和Boost变换器的对比

Tab.2  Comparison for interleaving and magnetically-integrated buck and boost converter

交错并联磁集成Buck变换器
用于VRM		交错并磁集成联Boost变换器
用于PFC
减少元件数量减少元件数量
减少通道电感电流纹波保持通道电感电流纹波不变
提高稳态效率减小电感器体积
提高暂态响应速度提高暂态响应速度

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2.3 双向Buck/Boost变换器的交错并联磁集成技术

在交错并联Buck变换器和交错并联Boost的研究成果的集成上,交错并联双向Buck/Boost变换器的研究也取得了研究成果[43,44,45]。

文献[43]从加装超级电容的电动汽车对低压大电流、动态响应快的双向DC-DC变换器的需求出发,设计了一种用于电动汽车的交错并联双向DC-DC变换器,提升了变换器的电流容量和功率密度。文献[44]在传统交错并联双向Buck/Boost变换器的基础上,增加了一个开关电容,并变换了其中一相开关管的位置,从而使得新型拓扑不仅具备了交错并联变换器的特性,如低输入电流纹波、易于 EMI 设计的特点,还达到了输入输出电压大变比及更低的开关电压应力的目的。文献[45]提出一种16相交错并联双向DC-DC变换器,工作在DCM模式以减小电流的不平衡性并减小取消电流环,用于混合动力车,具有输入\输出滤波器小、动态响应速度快、器件应力小等优点。文献[34]给出了交错并联磁集成双向DC-DC变换器在Buck工作模式的耦合电感设计准则。

3 隔离型DC-DC变换器的交错并联磁集成技术

采用交错并联技术的隔离型DC-DC变换器主要有反激变换器、正激变换器、正-反激变换器、桥式变换器和双向桥式变换器。

3.1 反激变换器的交错并联磁集成技术

文献[46]提出一种两相交错并联反激变换器,采用零电压有源开关减小整流二极管的反向恢复损耗,其满载（500W）效率达到91%,10%负载（50W）效率达到83%。

在中小功率场合,变压器的电流纹波较大,电感器分量带来严重的气隙扩散磁通效应往往成为线圈涡流损耗的主要因素,文献[21]结合多通道耦合电感技术和反激变压器的线圈损耗特点,提出多通道交错并联反激变换器磁集成技术,以减小电流纹波,改善线圈的电感器分量损耗和磁心损耗。

3.2 正激变换器的交错并联技术

文献[47] 针对交错并联结构的双管正激变换器工作特点,分析了不同占空比下变换器的两种工作模式及变压器的磁复位过程,采用平均电路法建立了系统的小信号模型,给出了输出电压闭环控制的补偿函数及参数设计方法,说明交错并联结构的双管正激变换器工作方式为准方波形式,可以用常规的恒频PWM控制。

文献[48]提出一种新型的交错并联双管正激零电压零电流软开关脉宽调制DC-DC变换器,与传统的交错并联双管正激PWM DC-DC变换器相比,它不含有辅助谐振电路。利用带有抽头的输出平滑电感、缓冲电容及变压器寄生电感,可实现开关管的软开关。该变换器可有效地抑制开关管的电压、电流尖峰,降低回路中的环流损耗,没有变压器饱和效应。

文献[49]提出一种扩大占空比范围的方法,用于交错并联正激变换器,可以减少器件数量及导通损耗。

3.3 正–反激变换器的交错并联技术

文献[50]提出一种采用有源钳位正–反激变换器的燃料电池发电系统,将12V的直流电压升到220V/50Hz的交流电压,具有高效率和高功率密度等优点。

3.4 全桥变换器的交错并联技术

文献[51]提出一种交错并联电流反馈全桥变换器,具有效率高、输入电流纹波和输出电压纹波低、磁性元件的体积和开关器件的电流应力小等特点,可以满足燃料电池的要求。文献[52]提出一种两级结构的逆变器,前级为交错并联全桥LLC谐振电路,后级为全桥逆变电路,用于光伏发电系统的离网逆变器,设计了1kW的实验样机。

3.5 双向反激式变换器的交错并联技术

文献[53]提出一种多相双向反激变换器,用于混合动力电动汽车,具有高增益、宽负载范围、低输出电流纹波、电池均流等优点。

3.6 双向全桥变换器的交错并联技术

文献[54]提出一种三相电流反馈双有源桥式双向交错并联DC-DC变换器,可以实现零电压开关（ZVS）,在宽输入电压范围和宽输出功率范围内实现高效率,并具有输入电流纹波小的优点。文献[55]提出一种无缓冲电路的交错并联软开关双向全桥DC-DC变换器,用于燃料电池车的能量存储系统。具有容量大、输入电流纹波小、无源元件体积小、开关器件的电压和电流应力低、导通损耗小、效率高、功率密度大等优点。

此外,交错并联技术还用于AC-DC变换器（如三相整流电路）、DC-AC变换器（三相逆变电路）和AC-AC变换器（三相交交变频电路）,限于篇幅,不再一一赘述。

4 三种交错并联技术的对比

三种交错并联技术的对比如表3所示。

表3   三种交错并联技术对比

Table 3  Comparison for 3 kinds of interleaving technologies

内燃机电力系统DC-DC变换器
汽油发动机、柴油发动机、航空煤油发动机、燃气轮机发电机、电动机、变压器非隔离型、隔离型
2~12缸交错并联三相交错并联2~36相交错并联
各缸之间没有耦合各相之间有磁耦合各相之间可以不耦合,也可以磁耦合（磁集成）
将化学能变为机械能将机械能变为工频电能（发电机）;将电能变为机械能（电动机）;电能的升、降压和电气隔离（变压器）;三相电网（电能传输）将某一种直流电能变换为满足用户需求的精密直流电能（升压、降压、双向等）
为机械设备和交通设备（汽车、火车机车、飞机、舰船）提供动力为电气设备提供动力（不调速电动机、白炽灯等）为电子、电气设备提供精密电能（电机调速、计算机、LED等）
扩充容量、提高效率和功率密度、提高稳态性能和动态性能扩充容量、显著提高效率、提高稳态性能和动态性能,实现电力系统的“大机组、大电网、高电压和大容量”交错并联：扩充容量、提高效率尤其是轻载效率、提高功率密度、降低成本、减小输入输出电流纹波、均匀分布热应力
交错并联磁集成：减少电感元件数量;提高稳态工作效率;提高暂态响应速度;减小每相电感电流纹波;减小磁心中柱的磁通纹波

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5 结论

DC-DC变换器的交错并联及其磁集成技术已经成为国内外电力电子领域的研究热点之一,虽然国内的研究起步较晚,但从国际著名期刊发表的论文来看,近年来国内关于电力电子的交错并联技术及其磁集成技术的研究成果并不比国外落后。

非隔离型DC-DC变换器尤其是Buck变换器的交错并联及其磁集成技术的研究已经非常深入（包括电路拓扑、控制方法、集成磁件和磁性材料等）,并且得到了很好的应用,如VRM、负载点变换器、PFC等,形成了工业标准。人们对于隔离型DC-DC变换器的交错并联技术也进行了大量的研究,取得了许多成果,并且在多个领域得到成功应用,但对于隔离型DC-DC变换器的交错并联“磁集成”技术的研究还相对较少,主要原因是隔离型交错并联DC-DC变换器的电路拓扑结构较复杂,变换器容量较大,其磁集成技术将更加复杂,但磁集成技术对变换器性能的提高也会更加显著,所以建议今后加强这一方面的研究。

DC-DC变换器的交错并联及其磁集成技术同内燃机和电力系统的交错并联技术一样,都是为了扩充容量、提高效率和功率密度、提高稳态和动态性能,所以,DC-DC变换器的交错并联及其磁集成技术必将得到更大的发展,像内燃机和电力系统那样,为工业和国民经济的发展做出重大贡献。

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双向DC/DC变换器中大功率储能电感的设计是一件困难而具有挑战性的工作，提出研究双向DC/DC变换器的交错并联磁集成理论以克服这一困难。将三相Buck&#x0002B;Boost双向DC/DC变换器的所有相电感集成为一个耦合电感，对磁集成后变换器运行在Buck模式下的稳态电流纹波和暂态响应速度进行深入研究，给出三相Buck&#x0002B;Boost交错并联磁集成双向DC/DC变换器运行在Buck模式下的设计准则，即在设计这种变换器时，应根据占空比的大小及稳态相电流纹波和暂态总输出电流响应速度的技术要求，利用该文所给

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In order to adapt the power delivery requirements of modern microprocessors of high current, lower voltage and faster transient response, this paper proposes &#x0201c;E&#x003a0;&#x0201d; core coupled inductors to be used in 3-phase interleaving voltage regulator module (VRM). This paper sets up the coupled inductors&#x02019; magnetic model and improves magnetic model including air gap fringe reluctance and air reluctance outside the windings by analyzing its flux distribution, deduces the air reluctance formulas with air space cutting method, and gets the formulas of self inductance and leakage inductance and the design method. 3D finite element simulation and experiment results verify the &#x0201c;E&#x003a0;&#x0201d; core coupled inductors structure and its magnetic model and design method.

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