DC-DC變換器最基本拓?fù)?:Buck電路和Boost電路

1前言

直流變直流電路(DC-DC Converter)，也叫斬波電路(DC Chopper)。 能將一種直流電源變換成另一種具有不同輸出特性的直流電源的電路，是開(kāi)關(guān)電源的核心。 跟交交變換一樣，直流變直流也分為直接直流變流電路和間接直流變流電路。 我們一般按照電路拓?fù)涞牟煌?，將其分為不帶隔離變壓器的和帶隔離變壓器的DC-DC變換器。 分類(lèi)如下：

不帶隔離變壓器的：降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、升降壓(Buck-Boost)變換器和丘克(Cuk)變換器等。

帶隔離變壓器的：反激式(Flyback)變換器、正激式(Forward)變換器、推挽式(Push-Pull)變換器和橋式(Bridge)等。

其中，Buck電路和Boost電路是DC-DC變換器最基本的兩種拓?fù)湫问健? DC-DC變換器的主要功能是變換直流電壓等級(jí)，隔離變壓器則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取，其基本作用是輸入輸出之間的隔離，也可以進(jìn)行變壓用。 無(wú)論哪一種DC-DC變換器，主回路使用的元器件都是功率半導(dǎo)體、電感、電容。 目前使用的開(kāi)關(guān)器件主要有MOSFET、IGBT以及二極管等。 電感和電容則是存儲(chǔ)和傳遞電能的元件。

DC-DC變換器的基本手段是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，使帶有濾波器的負(fù)載和直流電源一會(huì)兒接通，一會(huì)兒斷開(kāi)，從而在負(fù)載上得到另一個(gè)等級(jí)的電壓。

其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、電路形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，在信息、航天、家電、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。 可以說(shuō)DC-DC變換器無(wú)處不在了。

接下來(lái)，我們就一起慢慢地聊一聊DC-DC的那些事兒~

2降壓(Buck)

降壓電路，顧名思義，就是將一個(gè)原本比較高的電壓轉(zhuǎn)換成電壓較低的電路，即輸出電壓小于等于輸入電壓的單管非隔離直流變換電路。

基本電路拓?fù)淙缦拢?

Buck電路的主電路是由開(kāi)關(guān)管T、二極管D、輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成的，電源是電壓源性質(zhì)，負(fù)載則為電流源性質(zhì)。

為了便于我們分析，這里我們?cè)O(shè)定了幾個(gè)前提：

①開(kāi)關(guān)管、二極管均認(rèn)為是理想器件，即在導(dǎo)通時(shí)沒(méi)有導(dǎo)通壓降，截止時(shí)沒(méi)有漏電流(當(dāng)然，實(shí)際情況中，有必要考慮這些因素的);

②電感、電容也認(rèn)為是理想器件。電感工作在線性區(qū)并且未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)也為零;

③輸出電壓中的紋波電壓和輸出電壓的比值很小，可以忽略。

首先，我們定義一個(gè)比較重要的參數(shù)，占空比。即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton和開(kāi)關(guān)周期Ts的比值，用Dc表示。

Dc=ton/Ts

根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck變換器有三種工作模式——連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)、不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和臨界狀態(tài)(BCM)。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間流過(guò)電感的電流為零。在這兩種工作模式之間便是電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。

Buck變換器連續(xù)導(dǎo)電模式

(1)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管反向偏置截止，電容開(kāi)始重電，直流電壓源Us通過(guò)電感L向負(fù)載傳遞能量。此時(shí)，電感電流iL線性增長(zhǎng)，存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量也逐步增加。負(fù)載R流過(guò)電流Io，兩端輸出電壓Uo上正下負(fù)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通的時(shí)間為ton。

(2)

當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，由于電感電流iL不能突變，所以iL通過(guò)二極管D續(xù)流，電感電流隨之逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負(fù)載上，iL降低，L上儲(chǔ)存的能量減小。電感電流減小時(shí)，電感兩端的電壓UL改變極性，二極管D承受正向偏壓而導(dǎo)通，構(gòu)成了續(xù)流回路，負(fù)載R兩端的電壓仍保持上正下負(fù)。當(dāng)iL

在穩(wěn)態(tài)分析中，假定輸出端濾波電容很大，我們可以認(rèn)為輸出電壓是平直的。同樣，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容的平均電流為零，是因?yàn)锽uck變換器中電感平均電流等于平均輸出電流Io。在連續(xù)導(dǎo)電模式下，電感電流不會(huì)減小到0，前一個(gè)周期結(jié)束時(shí)刻和下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)刻電流是連續(xù)的。

工作波形如下圖所示

穩(wěn)態(tài)工作的情況下，我們可以得出輸入與輸出的關(guān)系。開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，電源電壓通過(guò)T加到二極管D兩端，二極管反向截止。電流流過(guò)電感，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入輸出電壓保持不變，則電感兩端電壓極性為左正右負(fù)，忽略管壓降，則有uL=Us-Uo。由于儲(chǔ)能電感的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期Ts，所以在該電壓作用下輸出濾波電感中的電流iL可以近似認(rèn)為是線性增長(zhǎng)，知道t1時(shí)刻，iL達(dá)到最大值ILmax。電感電流線性上升的增量為：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，電感兩端的電壓極性為左負(fù)右正，二極管導(dǎo)通續(xù)流，忽略管壓降則有uL=Uo，同樣認(rèn)為電感中電流iL可近似認(rèn)為是線性下降，下降的量的絕對(duì)值為：

當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL波形必然是周期性重復(fù)，那么就有，開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通期間電感中的電流增量等于其截止時(shí)電感中電流的減少量，即

綜合上述式子可得

Uo=DcUs

由上式可知，改變輸出電壓的辦法可以調(diào)整輸入電壓Us，也可以改變占空比Dc。在輸入電壓一定的情況下，改變占空比則可以控制輸出平均電壓。輸出平均電壓Uo總是小于輸入電壓Us。連續(xù)導(dǎo)電模式下Buck變換器的電壓增益M為

M=Uo/Us=Dc

Buck變換器連續(xù)導(dǎo)電模式

當(dāng)電感較小，負(fù)載電阻較小，則負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)較小，或當(dāng)開(kāi)關(guān)周期Ts較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，但新的周期卻尚未開(kāi)始的情況;在新周期里，電感電流從0開(kāi)始線性增長(zhǎng)，工作狀態(tài)如下所示：

此時(shí)一個(gè)周期Ts內(nèi)有3種狀態(tài)，分為Dc1Ts、Dc2Ts、Dc3Ts。

開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，Dc1Ts時(shí)間從0到t1，電感電流增加量為

開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，Dc2Ts時(shí)間電感電流減小量為

根據(jù)電感電流增加量等于減小量，可得

整理可得

不連續(xù)導(dǎo)電模式下，Buck變換器的電壓增益M為

其中，τ=L/(RTs)

電感電流連續(xù)的臨界條件

如果在Ts時(shí)刻，電感電流iL剛好下降到0，則稱(chēng)之為電感電流連續(xù)的臨界工作狀態(tài)，如下圖所示

此時(shí)負(fù)載電流Io和iL之間的關(guān)系為

?iL=2Io

其中，Io=Uo/R

則臨界條件下，電感L為

紋波電壓?Uo和電容的計(jì)算

流經(jīng)電容的電流ic=iL-Io對(duì)電容充電產(chǎn)生的電壓?Uo稱(chēng)為紋波電壓，紋波電壓的可以由下式計(jì)算

那么，我們可以根據(jù)紋波電壓的要求和其他參數(shù)，求得電容的大小

從上面分析可知，電感值和電路中的很多參數(shù)有關(guān)系，如占空比、負(fù)載、開(kāi)關(guān)頻率，電容值則跟輸出電壓、紋波電壓、電感值、開(kāi)關(guān)頻率、占空比有關(guān)系。 開(kāi)關(guān)頻率也高，電感和電容的值就越小。

以上便是今天的談資，直流變換電路中的降壓(Buck)電路，主要介紹了三種模式(CCM/DCM/BCM)下的工作原理以及相關(guān)計(jì)算(當(dāng)然，分析的前提是相關(guān)器件理想化，實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮到器件導(dǎo)通壓降等相關(guān)參數(shù))。