摘要：
针对目前开关器件和磁性元件性能不足导致双频Buck变换器的效率和功率密度低的问题,研究了一种高效高功率密度的双频Buck变换器.变换器将工作在连续导通(CCM)模式,采用解耦合的平面集成电感器完成系统磁元件的集成,结合磁件的集成方法、有限的PCB层数和变换器的特性给出双频Buck变换器的参数,然后,提出了一种双频Buck变换器平面磁件的设计方法,并完成系统磁元件的优化设计.最后,基于第3代半导体SiC器件以及平面集成磁件,设计了额定功率200W、开关频率400kHz的双频Buck变换器.结果表明:该变换器峰值效率将达到96.1％,功率密度为46.1W/in3(1in=25.4mm),验证了双频Buck变换器设计方法的正确性和有效性。
引言
双频Buck(doublefrequencyBuck,DFBuck）)变换器是由2个不同频率的Buck变换器级联而成的，在拥有高频Buck变换器输出特性的同时，只承担低频Buck的开关损耗，能够在高开关频率下为系统带来更高质量的电能。在未来供电系统中,对DC-DC变换器的频率、效率以及功率密度要求越来越高，高频化、平面化、集成化成为未来DC-DC变换器研究目标。目前DFBuck变换器大多采用Si器件,工作频率仍然停留在25100kHz,功率密度和效率仍然难以满足供电系统的需求,也难体现DFBuck变换器在高频率工作时的优势。第3代半导体器件（如SiC器件）的发展使得DFBuck变换器工作在更高的频率成为可能,也将提高变换器的性能和功率密度。在高频下，传统的绕制磁件正逐渐被具有平面磁芯和印刷电路版(PCB)绕组的平面磁件代替，这种磁件存在可重复高、体积小、功率密度高等优点。平面磁件设计的合理性对DC-DC变换器而言是十分重要的,因为不合理的平面磁件存在产热高、损耗大等问题，将影响变换器的正常工作。
目前学者针对高频高效的变换器以及平面磁件的优化做出了大量的研究。针对低压大电流场合下的LLC谐振变换器，引入矩阵变压器来减小磁元件的电流，具有PCB绕组的变压器设计在UI磁芯上，同时提出了针对变压器的损耗和磁件体积的优化设计方法,完成了系统设计；针对磁件和变换器的结构进行了优化，使得变换器的性能得到提升，但文中对于变换器的研究以及磁元件的优化方法并不适用于DFBuck变换器。提出了一种基于响应面方法（MLM），通过有限元法遍历变压器的变量得到平面变压器的参数；又将此方法推广到平面电感上，受仿真速度的限制，此方法不适用于实际设计中。通过对两级式DC-DC进行分析，给出了变换器的参数以及磁元件的结构,并给出了一套耦合集成的平面电感器系统的优化方法，使得电感之间的耦合系数到达预期的值。此方法并不适用于DFBuck变换器和平面解耦集成磁件的优化设计，但却为非隔离变换器以及平面集成电感的研究提供了参考。针对多相CLLC谐振变换器分析，给出了系统参数以及控制方法，在磁元件上，针对平面矩阵变压器单层多匝绕组进行研究，并给出了一套优化方法，但此方法只适用于正弦波激励下的线圈，另外该文也没有考虑同层多匝线圈间的邻近效应。通过建立变压器Dowell模型,并通过傅里叶分解的方法，得到了任意波形激励下的PCB直交流阻抗之间的比例关系，将此方法推广至平面电感的设计，同时对于高频导线间的集肤效应和邻近效应进行分析，这为DFBuck变换器平面集成磁件的设计提供了可能。
本文针对高频高效的DFBuck变换器及其平面电感器进行研究。首先，针对DFBuck变换器的特性分析，选择合适的耦合方式以及磁集成方法将DFBuck变换器的高低频电感集成在一个平面磁芯上，结合有限的PCB层数以及变换器特性给出DFBuck变换器系统参数；然后，综合分析影响磁元件损耗的因素，完成平面磁件的优化设计；最后,基于此磁件以及第3代半导体SiC器件，完成输入范围64~160V、输出电压48V、额定功率200W的DFBuck变换器，并完成实验验证。
1、DFBuck参数分析
1.1解耦集成的优势
DFBuck变换器的结构如图1所示。
目前学者提出了大量电感与电感的解耦集成方
1.2、IM2解耦条件
图5为IM2磁路的等效模型。
由法拉第电磁感应定律可以得到磁元件的磁通变化率与系统电感电流变化率的关系如式(6)所示：
1.3DFBuck变换器的参数分析
通过电容回转器模型进行分析，可以得到高低频电感与线圈匝数关系如式(8）,为简便分析,暂不考虑杂散磁通。
图7(a)为具有PCB线圈和平面磁芯的IM2磁件(planarintegratedmagneticcomponents,PIM)的俯视图,其电流的方向与绕制磁件的电流方向一致，此结构存在低频电感通孔数量较多的问题,这将造成大量的通孔损耗，于是提出图7(b)所示的低频电感同层走线的结构,此结构将减小磁件的通孔损耗,进一步提高系统的效率。
上文首先针对DFBuck变换器的特性进行分析，选择合适的耦合方式以及磁集成方法完成高低频电感的磁集成；之后分析集成后的磁元件，得到其满足系统要求的条件；然后基于磁件的集成方法,DFBuck变换器的特性和有限PCB层数，分析变换器的参数；最后针对磁元件PCB的走线方式进行改进，得到最终磁元件的正视图如图8所示。
2、平面集成磁件的优化设计
系统的平面磁件决定着系统的效率和功率密度，不合理的磁件将产生大量的损耗以及温升，针对平面磁件的绕组和磁芯进行分析,对提高变换器效率十分重要，因此具备2个不同频率电感的平面集成电感器的优化成为研究重点。
2.1、PIM绕组铜厚分析
2.2、PIM的阻抗分析
铜线直流阻抗的表达式为式（13）：
PIM的绕组由6层走线一致的PCB组成,在本节将针对第1层线圈优化，第1层线圈的俯视图如图9所示。
2.3、PIM损耗的计算及优化
首先针对PIM的第1层线圈进行优化，再推广至整个磁件,式(18)为PIM第1层线圈的总损耗P1。
图11为不同铜厚线圈的PIM绕组损耗情况。
从图11中可以看出,70μm厚的铜箔下绕组的损耗已经较小,虽然105μm和140μm厚的铜箔下的绕组损耗更低，但却增加了PCB的成本和工程难度,因此选用70μm的铜箔作为PIM的绕组，此时高低频线圈的总损耗见图11。
2.4、磁芯损耗
在低损耗的绕组基础上，本节将针对磁芯损耗进行分析。式（22)为任意波形激励下磁芯损耗的计算公式：
由图12可知.3F3材料的磁芯在此频率段将提供更加优越的性能。
磁性元件在系统中运行时，磁元件的损耗会受到多种因素影响，采用有限元法可以准确分析磁元件损耗,验证磁元件设计正确性。图13为PIM磁芯的磁通密度情况。
通过仿真结果可知，本文设计的磁元件满足系统要求，同时得到磁元件的磁芯损耗。
3、实验验证
图14为本文的DFBuck变换器。
系统的功率器件采用SiC器件，包含优化设计后的平面磁件。为降低系统成本，平面电感器绕组使用3个两层板叠放而成。高频部分工作频率为400kHz，低频部分工作频率为57.142kHz。系统的主控制器均采用TI公司的TMS-320F28335。功率器件采用CREE公司的C3M0015065D。对于平面集成电感器，高频电感同低频电感的2个绕组距离不同使得高频电感同低频电感2个绕组耦合系数与理论有所差异,在实际设计时，需通过数字电桥进行测试，并微调磁芯中柱宽度，使得高低频电感完全解耦。
由图15和图16的实验波形可知,输入电压不同时，系统可保证稳定输出。DFBuck变换器的低频单元与高频单元完全解耦，并且低频单元电流很好地追踪了高频单元电流，符合DFBuck变换器低频单元为高频单元分流的特性。实验波形与理论波形的差异是由于系统效率未达到100%所致。
由图17和图18的实验波形可知,2个输人电压等级下，当负载跳变时，系统均能实现快速响应。图19为传统设计方法下的DFBuck变换器。图19中,功率等级、电压等级与本文样机一致,样机采用Si器件，磁元件采用绕制集成磁件。Si样机参数规格与本文样机参数规格如表1所示。
经测量和计算,SiC样机功率密度将达到46.1W/in3（1in=25.4mm）,远超Si器件样机的10.15W/in²。图20比较了Si器件系统和SiC器件系统的开关损耗和磁性元件损耗。
由图20可见，相较于传统绕制磁件的Si样机，带有平面磁件的SiC样机将造成更低的损耗。针对Si器件的双频Buck变换器与SiC器件的双频Buck变换器全负载范围下系统的效率进行了测试，两系统的测试万方数据条件相同，系统效率曲线如图21所示。
由图21可见，输入电压Vin的增加将加大变换器的开关损耗，系统的效率会随着输入电压的降低而升高。由图21还可以看出，本文带有SiC器件的高频DFBuck变换器在全负载范围内均能够高效地完成能量转换,并且能量转换效率优于Si器件的DFBuck变换器。
4、结束语
本文设计了一种高效高功率密度的DFBuck变换器。为了提高变换器的效率与功率密度,系统高频单元定为400kHz,并使用SiC器件作为功率器件；双频变换器只承担低频单元开关损耗的特性能够减小功率器件的热应力，提高系统效率。电感电流纹波系数的增加将减小变换器磁元件的损耗,有助于有限PCB内的平面电感器的设计；与传统理念不同，带有平面集成磁件的DFBuck变换器系统参数将由平面集成电感器以及双频变换器特性共同决定，这将平衡系统磁元件和开关器件的损耗。针对带有不同频率绕组的平面集成电感器，提出了一种考虑集肤效应和邻近效应的优化方法，并完成DFBuck变换器平面集成电感器的优化设计。最终，完成带有平面集成磁件和SiC器件的高频DFBuck变换器，系统峰值效率为96.1%,功率密度将达到46.1W/in3,较同等级的低频率样机均得到提高,达到了高效高功率密度的目的。
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