標(biāo)題: BUCK降壓原理及設(shè)計 [打印本頁]
作者: 1455786800 時間: 2018-6-10 16:17
標(biāo)題: BUCK降壓原理及設(shè)計
Buck電路軟開關(guān)電路設(shè)計及原理分析2.1 Buck電路軟開關(guān)設(shè)計方案本課題首先設(shè)計的Buck電路軟開關(guān)方案如圖2.1所示。
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圖2.1 Buck電路軟開關(guān)電路圖
Buck電路又叫降壓斬波電路，降壓式變換電路。是一種DC/DC變流電路，可以根據(jù)用戶的需求，輸出對應(yīng)的電壓，提供負(fù)載所需。主要能運用于電車、地鐵、電動汽車、火車、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、照明等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的硬開關(guān)Buck電路，存在著開關(guān)損耗大，開關(guān)噪聲大，工作效率低的問題。這將直接影響到其集成化，輕型化的要求。為了方便對此問題的了解，首先給出硬開關(guān)Buck電路仿真電路圖。
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圖2.2 硬開關(guān)Buck電路仿真電路圖
圖2.2中所示為Buck電路的硬開關(guān)仿真電路圖，即強(qiáng)制切斷功率流的工作模式。圖中元件的參數(shù)為：輸入電壓V=12V，開關(guān)周期T=20us（即開關(guān)頻率f=50kHz），占空比D=0.42（因為想要輸出的電壓為5V），電感L=1.6mH，電感值較大，電路能工作在CCM（電感電流連續(xù)的模式下），濾波電容C=470uF，輸出負(fù)載R=0.83Ω。如果電路能工作在理想狀態(tài)下（即完全無開關(guān)損耗的狀態(tài)下），輸出電壓Uo應(yīng)該為12×0.42=5.04V，負(fù)載電流應(yīng)該在5.04/0.83=6.07A左右，而實際仿真分析得到的輸出波形如下：
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圖2.3 硬開關(guān)Buck電路仿真波形圖
由圖2.3可以清楚地看出，穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓只為4V， 輸出電流Io=4.5A左右，均跟理論值存在較大差距，究其原因，可以看一下開關(guān)管IGBT的工作情況，如下兩圖所示。
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圖2.4 經(jīng)過開關(guān)管控制后的輸入電壓圖
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圖2.5 經(jīng)過開關(guān)管控制后的輸入電壓詳圖
由圖2.4和圖2.5可以清楚地看出，經(jīng)過IGBT控制后的輸入電壓產(chǎn)生了小于零的情況，這在正常情況下是不應(yīng)該出現(xiàn)的，從而導(dǎo)致電壓峰值小于12V，可以說，由于IGBT的開通壓降引起的開關(guān)損耗引起了輸入達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致輸出電壓無法滿足需求。顯而易見，這就是硬開關(guān)電路所存在的問題。使得電路的工作效率僅為4×4.5/(5.04×6.07)×100%=58.8%。
從上述的實驗仿真分析不難看出，開關(guān)管IGBT的損耗已經(jīng)嚴(yán)重影響到電路的工作的正常工作效率，不僅造成電路的工作效率低，存在開關(guān)噪聲等一系列問題，更為重要的是，開關(guān)損耗使得能耗更加增大，增加了更多的安全隱患，在開關(guān)上消耗的能量積聚到一定的程度，發(fā)熱累積到一定的程度，將會產(chǎn)生難以預(yù)計的后果，甚至可能會威脅到人身財產(chǎn)安全。綜上所述，軟開關(guān)技術(shù)勢在必行，于是設(shè)計了如圖2.1所示的Buck軟開關(guān)電路，下面就對Buck軟開關(guān)電路的原理進(jìn)行詳細(xì)分析。
2.2 原理分析鑒于此，如圖2.1所示，設(shè)計了Buck電路的軟開關(guān)電路圖，主開關(guān)管VS1、輔助管VS2，這個兩個開關(guān)管都是N溝道增強(qiáng)型的MOSFET，工作特點時，只有當(dāng)Vgs大于閾值電壓才能導(dǎo)通，導(dǎo)通后電流方向為從D極到S極、電感L和電容Co共同組成零電壓開通的Buck變換器，Ro為負(fù)載電阻，一般不屬于Buck電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此電路與一般的Buck電路不同，一般的Buck電路中除了有一個開關(guān)管外，還有一個二極管，而此電路中原本那個位置的二極管變成了一個N溝道增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)管，為什么要這樣做呢？這是因為用MOSFET來替代二極管，能使得電路獲得比較高的效率，同時兩個開關(guān)管互為補充。VS1和VS2兩端分別反并聯(lián)二極管D1，D2，為電感電流的正向及反向流通提供回路，兩個開關(guān)管上并聯(lián)的電容C1，C2用來與電感L組成準(zhǔn)諧振回路進(jìn)行充放電，電容Co是濾波電容，取值較大即可，只起到濾波電容的作用。VS1和VS2分別由觸發(fā)脈沖ug1和ug2互補驅(qū)動，ug1，ug2分別為VS1，VS2的柵源極電壓，并且ug1和ug2之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，同時VS1和 VS2兩個開關(guān)管的軟開關(guān)也必須在該死區(qū)內(nèi)完成。這是一種最簡易的Buck電路軟開關(guān)電路，與硬開關(guān)的Buck電路相比，此電路與之的區(qū)別在于，在兩個開關(guān)管漏源極兩端并聯(lián)有二極管和電容器，硬開關(guān)的Buck電路最大的問題在于開通時，開關(guān)管上升的電流和下降的電壓出現(xiàn)重疊；關(guān)斷時，上升的電壓和下降的電流出現(xiàn)重疊。開關(guān)損耗正是來源于電壓、電流波形的交疊，并且該損耗隨開關(guān)頻率的提高而以倍數(shù)增加。采用此種設(shè)計的電路之后，通過諧振充放電，可以使得開關(guān)管在每一個觸發(fā)脈沖到來之前電壓放電到零，具體工作情況的分析如下。
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圖2.6 主要工作波形
開關(guān)電路按周期重復(fù)的工作，分析起點的選擇很重要，選擇合適的起點，可以簡化分析過程[5]。在分析此零電壓導(dǎo)通準(zhǔn)諧振電路時，選擇開關(guān)管VS1開通時刻為分析的起點最為合適[6]，下面結(jié)合圖2.6逐段分析電路的工作過程。
一個工作周期分為6個階段，其工作過程如下：
（1）第1階段[t0-t1] VS1導(dǎo)通，此時電路由輸入電壓Vin，開關(guān)管VS1，電感L，濾波電容Co和負(fù)載Ro組成，電感上在輸入電壓到來后，進(jìn)入充電狀態(tài)，VS1兩端電壓為零，VS2兩端電壓為最大，電感電流iL線性增加，由負(fù)值變?yōu)檎担瑸槭裁词菑呢?fù)值變成正值，看過后面的分析你就會明白，在t1時刻，VS1關(guān)斷，電感電流到達(dá)一個最大值，該階段結(jié)束，由此在電感上就儲蓄有一定的能量，表現(xiàn)在電感電流較大上。
（2）第2階段[t1-t2] VS1關(guān)斷后，此時電路由輸入電壓Vin，結(jié)電容C1，結(jié)電容C2，電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro組成。電感電流iL為正且為最大，VS2的結(jié)電容C2通過電感L放電，這正好符合了電流本來流動的方向，因此電感電流iL會線性下降，由于是VS2的結(jié)電容C2放電，電感電流減小，同時由于電感電流的存在，VS1的結(jié)電容C1被充電，結(jié)電容C1兩端的電壓線性上升，VS2的漏源電壓近似線性下降，直到VS2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。在這一過程中，L和C1，C2形成諧振回路，C2放電，C1充電，為VS2的零電壓開通提供條件，這時必須要滿足的條件的充放電的時間一定要合理，即一定要滿足在死區(qū)時間內(nèi)完成C2兩端電壓下降到零的要求，否則無法實現(xiàn)VS2的軟開關(guān)。
（3）第3階段[t2-t3] 此時電路由電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro，VS2的反并二極管D2構(gòu)成，D2為VS2的反并聯(lián)二極管。當(dāng)VS2漏源電壓下降至零后，自然而然VS2反并二極管D2導(dǎo)通，電流換流到D2上，電容C2被短路，將VS2漏源電壓鉗位在零電壓狀態(tài)，為VS2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件，在這里要實現(xiàn)軟開關(guān)，必須滿足的條件是能在短時間內(nèi)，即在死區(qū)時間內(nèi)讓VS2的兩端電壓到零，如果在觸發(fā)脈沖到來的時候VS2兩端的電壓還不能到零的話，就不能實現(xiàn)VS2的軟開關(guān)。
（4）第4階段[t3-t4] 此時電路由電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro，開關(guān)管VS2組成。當(dāng)VS2的門極變?yōu)楦唠娖郊从|發(fā)脈沖到來時，VS2能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，在本設(shè)計中，均是實現(xiàn)零電壓開通，因為一般的軟開關(guān)分為兩種，零電壓開通型和零電流關(guān)斷型，要同時滿足這兩種類型的電路還有待進(jìn)一步地研究發(fā)現(xiàn)。iL流過VS2，此時輸入電壓端與工作電路隔離開，已經(jīng)不再起任何作用了，電感電流iL繼續(xù)線性減小，直到變?yōu)樨?fù)值，到這里就必須要解釋一下為什么要使得電感電流到達(dá)負(fù)值，而為什么電感電流又能到達(dá)負(fù)值，因為在一般的正常情況下，Buck電路只能工作在CCM（電感電流連續(xù)，每個周期內(nèi)不到零點）和DCM（電感電流斷續(xù)）的兩種模式下，為什么在這個電路中會出現(xiàn)電感電流為負(fù)值的情況，如果注意到電路中的兩個MOSFET兩端反并聯(lián)的電容和二極管就不難發(fā)現(xiàn)答案，它們能提供反向電感電流的正向及反向通路，之所以需要電感電流反向，是因為如果不反向，就不能形成VS1兩端并聯(lián)電容的放電回路，沒有放電回路就不能實現(xiàn)VS1兩端電壓到零，就不能實現(xiàn)軟開關(guān)，這就是原因所在，之后VS2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
（5）第5階段[t4-t5] 此時電路由輸入電壓Vin，結(jié)電容C1，結(jié)電容C2，電感L，濾波電容Co，負(fù)載Ro組成，此時，電感電流iL方向為負(fù)，如前所述，正好可以為VS1的結(jié)電容C1提供放電回路，于是VS1的結(jié)電容C1通過L放電，同時電感電流對VS2的結(jié)電容C2充電，同VS2的結(jié)電容C2的放電過程相類似，VS1的兩端電壓可近似為線性下降。該階段結(jié)束于VS1的電壓下降到零，這一過程為VS1的零電壓導(dǎo)通提供了條件。
（6）第6階段[t5-t6] 由于 VS1兩端電壓下降到零，導(dǎo)致VS1的反并二極管D1開通，將VS1的兩端電壓固定在零，為VS1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件，兩個開關(guān)的軟開關(guān)過程都必須是在死區(qū)時間內(nèi)完成，并聯(lián)電容起到充放電的作用，反并二極管起到將電壓鉗位在零的作用。
接著VS1在柵極觸發(fā)脈沖到來時，VS1零電壓條件下導(dǎo)通，實現(xiàn)軟開關(guān)，進(jìn)入下一周期，周而復(fù)始。那么到底要滿足怎樣的條件才能真正地實現(xiàn)軟開關(guān)？下面進(jìn)入?yún)?shù)分析，公式推導(dǎo)階段。
綜上所述，Imin對結(jié)電容C1，C2充放電情況決定VS1的軟開關(guān)條件，而同樣，Imax對C1，C2充放電情況決定了VS2的軟開關(guān)條件。L，C1，C2的諧振充放電情況將直接影響軟開關(guān)的實現(xiàn)條件，而它們的充放電情況又由Imin和Imax決定，所以說Imin與Imax的大小將直接影響軟開關(guān)的實現(xiàn)難易程度。
進(jìn)入計算分析階段，其中：
Imax=file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A15.tmp.png+Io= file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A16.tmp.png+Io 式(2.1)
Imin=file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A27.tmp.png-Io= file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A28.tmp.png-Io 式(2.2）
ΔI=file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A29.tmp.png 式(2.3)
要實現(xiàn)VS2的軟開關(guān)，根據(jù)能量大小關(guān)系，必須滿足讓C2上的電壓諧振到零，即為：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2A.tmp.png（C1+C2）Vin 2file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2B.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2C.tmp.pngL|file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2D.tmp.png+Io| 2 式（2.4）
為了更加便于計算，考慮到死區(qū)時間很小，再近似為死區(qū)時間內(nèi)iL保持不變，根據(jù)電量大小關(guān)系可以將VS2的軟開關(guān)條件簡化為：
(C1+C2)Vinfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2E.tmp.png|file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A2F.tmp.png+Io| tdead2 式（2.5）
VS2開通前的死區(qū)時間為tdead2
同理可推導(dǎo)出VS1軟開關(guān)條件為：
（C1+C2）Vinfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A30.tmp.png|file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A31.tmp.png-Io|tdead1 式（2.6）
VS1開通前的死區(qū)時間為tdead1
在得到（2.5）（2.6）這兩個重要公式后，如何進(jìn)行參數(shù)計算是個難點，因為里面的未知量太多，經(jīng)過各種搜集查證，如何實現(xiàn)這個公式，首先應(yīng)該設(shè)置一些參數(shù)，再根據(jù)已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)，通過限制約束條件來計算另外的一些參數(shù)，從而才能滿足（2.5）（2.6）這兩個重要的公式，從而實現(xiàn)開關(guān)管VS1和VS2的軟開關(guān)。
2.3 參數(shù)計算與設(shè)置設(shè)輸入電壓Vin=48V，f=200kHz（T=5us），tdead1=tdead2=0.5us，R=3.8file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A32.tmp.png，D=0.4，
如何計算所有的參數(shù)是個難點，得一步一步來。
首先要明確，在tdead1=tdead2的情況下，只要所選取的參數(shù)能滿足(2.6)式就一定能滿足(2.5)式，所以雖然看著是兩個條件，其實只需要針對(2.6)即可。
其次，要明確，此電路要實現(xiàn)軟開關(guān)，需要滿足的一個重要條件是電路的電感值L不能過大，即不能讓電路工作在電流連續(xù)的情況下，而讓電路工作在DCM（電感電流斷續(xù)）狀態(tài)下，而需要滿足的條件應(yīng)為：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A33.tmp.png<1-D 式（2.7）
此時，D=0.4，R=3.8file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A34.tmp.png，T=5us，經(jīng)計算可得L<5.7uH，不妨取L=2uH。再將設(shè)定的條件代入（2.6）式進(jìn)行計算，接著為了方便計算近似處理C1=C2=C
原式可變?yōu)椋?/div>
2C×48file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A35.tmp.png|file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A45.tmp.png-file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A46.tmp.png|×0.5×10-6 式（2.8）
計算得Cfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A47.tmp.png4.8×104pF
因此可取C1=C2=1000pF
Vin=48V，L=2uH，C1=1000pF，C2=1000pF，D=0.4，T=5us，tdead1=0.5us，tdead2=0.5us，R=3.8file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A48.tmp.png，C=470uF其中，C是濾波電容，取值較大，是參考的有關(guān)資料。
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