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详解Buck电路工作原理(一)

时间:2019-4-4 分享到:

DC-DC变换器按功率开关电路的结构形式来分,可分为非隔离型(主电路中无高频变压器),隔离型(主电路中有高频变压器),以及具有软开关特性的谐振型等。非隔离型直流变换器,有三种基本的电路拓扑:降压(Buck)型,升压(Boost)型,反相(Buck-Boost即降压-升压)型,以下详细介绍Buck变换器。

1 Buck变换器电路构成

Buck变换器又称为降压电路,其基本拓扑如图1所示

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图1 Buck电路拓扑结构

电路主要元器件包括开关管T(物理实现可以用IGBT,MOSFET),续流二极管D,储能电感L,输出滤波电容C及负载电阻R。输入直流电源为Us,输出直流电压为Uo。

2 Buck变换器工作原理

Buck变换器工作在电感电流连续模式下的工作原理如下:

开关管的导通与关断受控制电路输出的驱动脉冲控制。如图1所示,当控制电路脉冲输出高电平时,开关管导通,如图2(a)所示,续流二极管D阳极电压为零,阴极电压为电压电压Us,因此反向截止,开关上流过电流is流经电感L向负载R供电;此时L中的电流逐渐上升,在L两端产生左端正右端负的自感电势阻碍电流上升,L将电能转化为磁能存储起来。经过时间ton后,控制电路脉冲为低电平,开关管关断,如图2(b)所示,但L中的电流不能突变,

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图2电流连续模式下 Buck变换器等效电路

这时电感L两端产生右端正左端负的自感电势阻碍电流下降,从而使D正向偏置导通,于是L中的电流经D构成回路,电流值逐渐下降,L中储存的磁能转化为电能释放出来供给负载R。经过时间toff后,控制电路脉冲又使开关管导通,重复上述过程。滤波电容C的作用是为了降低输出电压Uo的脉动。续流二极管D是必不可少的元件,若无此二极管,电路不仅不能正常工作,而且在开关管由导通变为关断时,L两端将产生很高的自感电势从而损坏开关管。

3 Buck变换器工作状态及相应元件参数计算

为了方便分析稳态特性,简化推导过程,做如下假设:

(1)开关管,二极管是理想元件,可在瞬间导通或截止,没有导通压降、导通电阻,截止时无漏电流。

(2)电感电容是理想元件。电感工作在线性区不饱和,寄生电阻为0,电容等效串联电阻为0。

根据电感电流是否连续,即每个脉冲周期开始电感电流iL是否从0开始将Buck电路的工作模式分为电感电流连续工作模式(Continuous Conduction Mode,CCM)和电感电流不连续工作模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)两种。

3.1 Buck变换器的CCM工作模式

在L足够大的条件下,Buck变换器工作在CCM模式,波形如图3所示。

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图3 Buck变换器CCM模式波形

开关管导通时间为ton,关断时间为toff,PWM周期为Ts,即ton+toff=Ts,设d=ton/Ts为PWM波占空比。在ton时间,开关管导通,D截止,电感两端电压Us-Uo(极性左正右负),电感电流从iLmin线性上升至iLmax,导通时间内,电感电流增量为

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当开关管关断时,二极管D导通,电感L两端电压差为-Uo(极性左负右正),电感电流线性下降至iLmin,减小量为

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当电路处于稳态时,电感电流iL必然周期性的重复,开关管导通期间电感电流增加量与其关断期间电感电流减小量相等,即

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整理得

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上式表明,在输入电压恒定的情况下,要改变输出电压,可以通过改变占空比实现,输出平均电压总是小于输入平均电压。CCM模式下Buck变换器的电压增益为d。

3.2 Buck变换器的DCM工作模式

在电感较小,负载电阻较大,或者开关周期Ts较大时,当电感电流已下降至0,但是新的开关周期还未开始;在下一个开关周期中,电感电流从0开始线性增加,在一个开关周期中会出现电感电流线性增加、电感电流线性减小、电感闲置(电感电流保持为0)三种状态,等效电路图如图4所示,工作波形如图5所示。

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图4 Buck变换器DCM模式下等效电路图

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图5 Buck变换器DCM模式波形

开关管导通时间为ton,关断时间为toff,闲置时间为t1,PWM周期为Ts,即ton+toff+t1=Ts,同样设d=ton/(ton+toff)为PWM波占空比。在ton时间,如图4(a)所示,开关管导通,D截止,电感两端电压Us-Uo(极性左正右负),电感电流从0线性上升至iLmax,导通时间内,电感电流增量与式(1)同。

当开关管关断时,在toff时间,如图4(b)所示,二极管D导通,电感L两端电压差为-Uo(极性左负右正),电感电流线性下降至0,减小量与式(2)同;同样,当电路处于稳态时如公式(3)所示。

在t1时间,电感电流已下降至0,相当于开路,如图4(c)所示。

上述表明,DCM模式下,输入电压恒定,要改变输出电压,可以通过改变占空比实现,输出平均电压总是小于输入平均电压。DCM模式会使变换器带载能力降低,稳压精度变差,纹波电压大,通常情况下要求Buck变换器工作在CCM模式。

3.3 Buck变换器电感电流连续的临界条件

CCM模式下,如果在一个周期结束时,电感电流iL恰好下降至0,这种状态称为CCM和DCM的临界工作状态,如图6所示。

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图6 Buck变换器电感电流临界状态

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