适用于大电流应用的交错式转换器设计

核心要点

• 只有当各相的电流相等时，交错连接才能发挥其对纹波、损耗和发热方面的优势，因此电流分配是首要的设计约束条件。
• 较小的占空比和检测误差会在低电阻相中产生较大的电流偏移，这使得平衡成为一项闭环控制任务，仅靠布局无法解决。
• 基于每相的实时仿真 功能，可让您在构建大电流硬件之前，验证平衡回路在各种公差、负载阶跃和相位切除条件下的性能。

只有当每个相位都分担了应有的电流时，交错式转换器才能实现其承诺的纹波消除和热余量。

在较低电压下，负载会持续消耗更大的电流。根据国际能源署的基本情景预测，加速服务器的用电量预计将以每年30%的速度增长，而推动这一增长的处理器是在低电压、大电流条件下工作的。如果使用过大的磁性元件，单个开关和单个电感器将无法承载如此大的电流，且会产生巨大的损耗。将负载分配到并联相位上，是解决这一问题的标准方案。

关键在于平衡。交错连接假设相位完全一致，但实际的电感器、开关和栅极时序永远无法完全匹配。只有当控制环路能够在公差、温度漂移和负载阶跃的情况下保持各相电流相等时，才能得到教科书上的结果。因此，电流分流是一个需要在布局之前很久就解决的控制问题，而且在高电流硬件投入使用之前，您就可以通过仿真 进行实时测试。

交错式转换器在高负载电流下的工作原理

交错式转换器将一个功率级划分为多个并联连接的相同相位，并以相同的频率和均匀间隔的时序对它们进行开关控制。每个相位承载负载电流的一部分，因此开关、电感器和铜线的规格均按该比例设计，从而使输入端和输出端的综合纹波得到抑制。

以一个输出200 A的48 V至12 V交错式降压转换器为例进行说明。单相设计需要一个额定电流超过200 A的电感器，以及能够导通全部电流的开关器件。采用四相设计后，每相电流降至50 A，从而可以使用更小的磁芯、发热更低的器件，并将热量分散到整个电路板上。导通损耗也会降低，因为每条路径的损耗与其电流的平方成正比。

在 50 A 时，四条路径的功耗仅为同一电阻的一条路径在 200 A 时功耗的四分之一。这种功耗节省仅在分流比例保持均匀时才存在，而功率级本身并不能保证这一点。

相位偏移如何消除输出电容上的纹波

相位偏移能消除纹波，因为电感中的电流在不同时刻上升和下降，因此它们的总和比其中任何一个都要平滑。当N个相位间隔为360/N度时，总纹波出现在开关频率的N倍处，且其振幅会下降，并在占空比为1/N的整数倍时降为零。

48 V 至 12 V 的电路工作在 0.25 的占空比下。相位差为 180 度的两相在输出端会留下约单相纹波幅值的三分之二，而在理想情况下，相位差为 90 度的四相则能完全抵消纹波。抵消是总和的特性，因此每个电感仍会承载其全部纹波，且必须根据自身的峰值进行额定设计。 相电流不均或相间距不均也会在开关频率下产生一个分量，而您的输出电容器在设计时从未考虑过这种频率。

为什么电流分配决定了交织的结果

电流分配决定了最终结果，因为交错并联的所有优势都是基于各相电流相等的情况计算得出的。如果某相承载的电流超过其应分担的份额，该相温度会升高，更接近电感饱和，且老化速度更快。因此，整流器的性能将受其最差相的限制。

有两种机制决定了稳态分流。各相的电流分配与其路径电阻成反比，因此，在200 A的设计中，如果某相的电感器和开关电阻比其他三相低10%，则该相的电流约为54 A，而相邻相的电流则低于49 A。占空比不匹配的影响则更为严重。 在48 V输入电压下，相当于0.1%占空比的定时误差会导致48 mV的偏移，根据欧姆定律，在2 mΩ的相路中，这将产生24 A的电流。

“你想要的高效设计在电路中几乎没有任何元件来平衡电流。”

这些数据具有说明性，它们解释了为什么低阻抗会加剧电流不均衡现象。你所期望的高效设计在电路路径中几乎没有任何元件来平衡电流。

布局对称性有助于提高抗干扰能力，但对时序或漂移毫无帮助。这就是为什么必须通过闭环来实现平衡。

为交错式降压转换器选择相数

正确的相数是指能够将每相电流控制在单个电感器和单对开关所能承受的范围内，同时将纹波零点置于正常占空比附近的最小数值。每增加一相，不仅能降低应力，还会增加一个栅极驱动器、一个电流传感器以及另一个用于保持平衡的控制回路。

当前水平设定了下限。电解槽堆组是一个很好的例证，因为它们在低电压下需要数千安培的直流电，且全球水电解装机容量在2024年已达到2吉瓦。为其中一个堆组供电的转换器之所以运行多个相位，仅仅是为了确保每个电感器都能制造出来。而12伏至1伏的处理器供电轨之所以采用高相数设计，原因则不同，即为了满足瞬态响应的要求。

每增加一个相，平衡回路必须吸收的元件公差范围也会随之扩大，除非切除某些相，否则轻载效率将受到影响。在负载条件下切除和增加相本身就是一项平衡操作，需要进行测试。

在负载突变下保持相电流平衡的控制方法

当测量每相电流并根据所有相的平均值调整其占空比时，各相电流将保持平衡。峰值和平均电流模式控制天生就能实现这一点，因为每相都有独立的电流环路。电压模式设计则增加了一个较慢的共享环路，用于调整各相的占空比。

负载阶跃是体现选择的关键所在。 试想一个200 A的转换器在几微秒内从40 A跃升至满载。如果共享环路反应过慢，会导致其中一相抢先捕获该阶跃并使其电感饱和，而其他相尚未作出响应；反之，如果环路反应过快，则会与电压环路产生冲突。检测机制与补偿器同样重要，因为电感电阻的检测值会随温度漂移，且一个通道中的增益误差会演变为永久性不平衡，而环路会忠实地维持这种不平衡。

仿真 的实时数据揭示了各相行为的哪些信息

交错式变流器的实时仿真 在控制器根据该模型运行时，会将每相电流作为独立信号显示。由于被控对象在FPGA上运行的时间步长远小于开关周期，因此模拟的电感电流会对真实的栅极信号作出响应，包括导致不平衡的时序误差。

当您引入那些在台架原型中被隐藏或会引发问题的失配情况时，交错式转换器仿真 便能发挥其价值。OPAL-RT 可实时模拟各相电流分流情况，因此您可以将一个电感值调低 20% 或使一个门极沿发生偏移，并观察平衡环路如何响应，而无需冒硬件损坏的风险。一个实用的测试方案涵盖了五项检查。

• 在所有元件公差范围内实现稳态共享
• 以应用 指定的最快变化速率执行负载阶跃和负载突变测试
• 通电时的相位剥离与相位叠加
• 每次仅对一个通道的传感器增益和偏移误差进行校正
• 某相失电，其余相继续承载负载

在试验台上以 200 A 进行测试时，这些操作虽然有些棘手，但在模型中却已是家常便饭。失败不会造成任何损失，测试过程可以完全重复，且测试数据可直接应用于功率级。

在大电流设计方案中，平衡控制应置于何处

平衡控制应置于交错式设计的初期阶段，在布局和磁性元件采购之前进行。相数、检测方法和环路结构决定了转换器能容忍多少失配，这进而决定了你必须对电感器进行多严格的规格定义以及电路板布局需要多精细。

那些拖到最后才处理的团队，通常会付出惨痛的代价才发现问题。第一个原型机的输出调节得非常完美，热成像仪显示出一个热点，而解决办法要么是重新设计电路板，要么是降低额定值。在大电流情况下，这两种方案都不便宜。

首先将交错式降压转换器设计视为一个控制问题，这需要花费几周时间进行建模。您需要根据占空比确定相数，明确可接受的不平衡度，并在开始铜板切割之前，验证控制环路能否在公差范围内保持该不平衡度。这就是OPAL-RT实时仿真 所支持的工作，您的控制器将基于每相模型闭环控制。

“交替给予奖励，比单纯奖励聪明更能培养纪律性。”

交错安排比单纯依靠聪明才智更能培养纪律性。分配均匀的阶段能带来你所预期的涟漪效应、效率和使用寿命。而分配不均的阶段，则会让你得到一个按其最弱路径评定的转换器，你最好在它还是模型的时候就弄清楚自己拥有的是哪一种。