劉東立，張逸凡，李欣桐，劉華宇

（ 黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027 ）

0 引言

Buck變換器是一種基本的開(kāi)關(guān)電源變換器，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、體積小等特點(diǎn)在中小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。Buck變換器的續(xù)流二極管在開(kāi)關(guān)MOS管關(guān)斷時(shí)進(jìn)行續(xù)流，而續(xù)流二極管的損耗在一定程度上影響了Buck變換器的效率[1]。在電感電流連續(xù)的情況下，續(xù)流二極管的關(guān)斷電流尖峰使濾波器和開(kāi)關(guān)管的電應(yīng)力增大，從而增大了變換器的體積和經(jīng)濟(jì)成本。分析Buck變換器的工作原理，尋求新的續(xù)流方法，在優(yōu)化Buck變換器的結(jié)構(gòu)，降低經(jīng)濟(jì)成本方面起著重大作用[2]。

1 原理分析

Buck變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主電路由開(kāi)關(guān)MOS管、續(xù)流二極管和LC低通濾波器組成，其電路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。開(kāi)關(guān)MOS管由PWM驅(qū)動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)MOS管導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管D截止，當(dāng)開(kāi)關(guān)MOS管截止時(shí)，續(xù)流二極管續(xù)流導(dǎo)通[3]。

1.1 基本工作原理

假設(shè)電路中所有開(kāi)關(guān)元件為理想元器件，輸出濾波電容C2足夠大，濾波電感L感值足夠大，以電感電流連續(xù)為例進(jìn)行分析，各主要元器件電壓和電流波形如圖2所示[4]。

在0-ton時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)MOS管導(dǎo)通，續(xù)流二極管截止，流過(guò)開(kāi)關(guān)MOS管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動(dòng)主要由開(kāi)關(guān)MOS管的波動(dòng)決定，變換器的損耗主要組成成分為開(kāi)關(guān)MOS管的開(kāi)關(guān)損耗[5]。電感兩端承受電壓為Vin-Vo，電感電流線(xiàn)性增加

在ton-T時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)MOS管截止，續(xù)流二極管導(dǎo)通，流過(guò)續(xù)流二極管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動(dòng)主要由續(xù)流二極管的波動(dòng)決定，變換器的損耗主要組成成分為續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)損耗[5]。電感兩端承受電壓為反向的Vo，電感電流線(xiàn)性減小

如上可知，電感電流紋波主要由開(kāi)關(guān)MOS管的波動(dòng)和續(xù)流二極管的波動(dòng)引起，整個(gè)變換器的主要損耗為開(kāi)關(guān)MOS管的損耗和續(xù)流二極管的損耗。由于開(kāi)關(guān)MOS管一般內(nèi)阻較小，遠(yuǎn)小于續(xù)流二極管的損耗，因此需要對(duì)續(xù)流二極管續(xù)流過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行探討和改善。

1.2 存在問(wèn)題

對(duì)續(xù)流二極管的關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行分析，其在關(guān)斷過(guò)程中存在著電流反向的過(guò)程，關(guān)段過(guò)程中的電壓電流如圖3所示。

圖3中，IF為流過(guò)二極管的電流，UF為二極管兩端電壓，UR為加在二極管兩端的反向電壓。由圖3可知，二極管關(guān)斷過(guò)程中電流在t1時(shí)刻先反向，隨之電壓在t3時(shí)刻反向，且電流在t4時(shí)刻有較大反向電流，在最后時(shí)刻才諧振至零。

根據(jù)續(xù)流二極管的動(dòng)態(tài)特性和Buck變換器的工作原理，存在以下問(wèn)題：

1）由圖3中的動(dòng)態(tài)過(guò)程可知，二極管關(guān)斷過(guò)程中存在電壓和電流同時(shí)不為零的情況，加上續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)的損耗，整個(gè)二極管在續(xù)流過(guò)程中存在著較大損耗，影響B(tài)uck變換器的效率。

2）電感電流連續(xù)時(shí)，續(xù)流二極管存在較大反向電流過(guò)沖，此電流過(guò)沖由開(kāi)關(guān)MOS管提供，因此開(kāi)關(guān)MOS管需要瞬間提供一個(gè)較大的尖峰電流。尖峰電流在增大了開(kāi)關(guān)MOS管的電應(yīng)力同時(shí)，也易使開(kāi)關(guān)MOS管損壞。

2 同步整流技術(shù)

為提高Buck變換器的效率，減小開(kāi)關(guān)管的電應(yīng)力，減少濾波器的體積，優(yōu)化Buck變換器的性能，需要對(duì)續(xù)流部分進(jìn)行優(yōu)化。由于開(kāi)關(guān)MOS管的損耗較小，因此采用同步整流技術(shù)，用另一路開(kāi)關(guān)MOS管代替續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，電路原理如圖4所示。

采用SG3525為控制芯片，輸出兩路相位差為180°互補(bǔ)的PWM波，經(jīng)過(guò)以IR2110為核心的自舉電路后，分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)MOS管Q1和續(xù)流MOS管Q2。兩路互補(bǔ)的PWM波如圖5所示。

在0-ton時(shí)間段內(nèi)，驅(qū)動(dòng)PWM波控制開(kāi)關(guān)MOS管導(dǎo)通，續(xù)流MOS管截止，流過(guò)開(kāi)關(guān)MOS管的電流即為電感電流。在ton-T時(shí)間段內(nèi)，驅(qū)動(dòng)PWM波控制開(kāi)關(guān)MOS管截止，續(xù)流MOS管導(dǎo)通，流過(guò)續(xù)流MOS管的電流即為電感電流。運(yùn)用MOS管代替了二極管續(xù)流，具有以下方面的優(yōu)勢(shì)：

1）MOS管特性穩(wěn)定，相對(duì)于二極管而言?xún)?nèi)阻較小，在工作過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗比二極管更小，減小了變換器的損耗，對(duì)Buck變換器效率的提高具有重大意義。

2）MOS管在關(guān)斷過(guò)程中不需要電流，在電感電流連續(xù)時(shí)，用MOS管代替續(xù)流二極管避免了續(xù)流結(jié)束時(shí)存在著較大反向電流過(guò)沖，減小電流的突變程度，抑制電磁干擾，確保設(shè)備工作可靠性。

3）抑制尖峰電流產(chǎn)生，降低開(kāi)關(guān)MOS管的電應(yīng)力，同時(shí)減小濾波電感紋波，對(duì)優(yōu)化變換器體積與器件的選型上具有較大作用，降低變換器成本。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

Buck變換器工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)時(shí)，在續(xù)流二極管關(guān)斷瞬間存在著較大的反向電流尖峰，導(dǎo)致MOS管電流在開(kāi)通瞬間也存在較大尖峰。以額定值為3A/6V對(duì)Buck電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖6所示，尖峰電流對(duì)電路元器件存在較大影響。

為解決續(xù)流二極管關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的反向尖峰電流問(wèn)題，采用了同步整流技術(shù)，對(duì)電路進(jìn)行了試驗(yàn)，MOS管波形如圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，采用同步整流技術(shù)后MOS管開(kāi)通過(guò)程中的尖峰電流消失，開(kāi)關(guān)器件動(dòng)態(tài)性能良好。

采用同步整流技術(shù)前后，對(duì)電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)MOS管和續(xù)流二極管的紋波電流參數(shù)對(duì)比，同時(shí)對(duì)整個(gè)電路的半載效率進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采用同步整流技術(shù)前后Buck電路參數(shù)對(duì)比

由表1結(jié)果可知，采用同步整流技術(shù)后， 續(xù)流尖峰電流值減小，開(kāi)關(guān)MOS管電流最大值減小，Buck變換器的整體效率得到大幅提升。采用同步整流技術(shù)后，Buck變換器的性能得到較大改善。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決Buck變換器工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)下，存在的續(xù)流二極管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向尖峰電流的問(wèn)題，采用了同步整流技術(shù)，利用MOS管代替了二極管進(jìn)行續(xù)流。采用SG3525芯片作為控制芯片，通過(guò)以IR2110芯片為核心的自舉電路，對(duì)開(kāi)關(guān)MOS管和續(xù)流MOS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)電路原理分析和電路仿真，結(jié)果顯示帶有同步整流技術(shù)的Buck變換器具有變換效率高、工作過(guò)程中電磁干擾小、開(kāi)關(guān)MOS管電應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可靠性和推廣性。