BUCK降压原理及设计

本课题首先设计的Buck电路软开关方案如图2.1所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A0F.tmp.png

图2.1 Buck电路软开关电路图

Buck电路又叫降压斩波电路，降压式变换电路。是一种DC/DC变流电路，可以根据用户的需求，输出对应的电压，提供负载所需。主要能运用于电车、地铁、电动汽车、火车、直流电机调速系统、照明等领域。但传统的硬开关Buck电路，存在着开关损耗大，开关噪声大，工作效率低的问题。这将直接影响到其集成化，轻型化的要求。为了方便对此问题的了解，首先给出硬开关Buck电路仿真电路图。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A10.tmp.png

图2.2 硬开关Buck电路仿真电路图

图2.2中所示为Buck电路的硬开关仿真电路图，即强制切断功率流的工作模式。图中元件的参数为：输入电压V=12V，开关周期T=20us（即开关频率f=50kHz），占空比D=0.42（因为想要输出的电压为5V），电感L=1.6mH，电感值较大，电路能工作在CCM（电感电流连续的模式下），滤波电容C=470uF，输出负载R=0.83Ω。如果电路能工作在理想状态下（即完全无开关损耗的状态下），输出电压Uo应该为12×0.42=5.04V，负载电流应该在5.04/0.83=6.07A左右，而实际仿真分析得到的输出波形如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A11.tmp.png

图2.3 硬开关Buck电路仿真波形图

由图2.3可以清楚地看出，稳态时，输出电压只为4V， 输出电流Io=4.5A左右，均跟理论值存在较大差距，究其原因，可以看一下开关管IGBT的工作情况，如下两图所示。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A12.tmp.png

图2.4 经过开关管控制后的输入电压图

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A13.tmp.png

图2.5 经过开关管控制后的输入电压详图

由图2.4和图2.5可以清楚地看出，经过IGBT控制后的输入电压产生了小于零的情况，这在正常情况下是不应该出现的，从而导致电压峰值小于12V，可以说，由于IGBT的开通压降引起的开关损耗引起了输入达不到要求，从而导致输出电压无法满足需求。显而易见，这就是硬开关电路所存在的问题。使得电路的工作效率仅为4×4.5/(5.04×6.07)×100%=58.8%。

从上述的实验仿真分析不难看出，开关管IGBT的损耗已经严重影响到电路的工作的正常工作效率，不仅造成电路的工作效率低，存在开关噪声等一系列问题，更为重要的是，开关损耗使得能耗更加增大，增加了更多的安全隐患，在开关上消耗的能量积聚到一定的程度，发热累积到一定的程度，将会产生难以预计的后果，甚至可能会威胁到人身财产安全。综上所述，软开关技术势在必行，于是设计了如图2.1所示的Buck软开关电路，下面就对Buck软开关电路的原理进行详细分析。

鉴于此，如图2.1所示，设计了Buck电路的软开关电路图，主开关管VS1、辅助管VS2，这个两个开关管都是N沟道增强型的MOSFET，工作特点时，只有当Vgs大于阈值电压才能导通，导通后电流方向为从D极到S极、电感L和电容Co共同组成零电压开通的Buck变换器，Ro为负载电阻，一般不属于Buck电路的内部结构。此电路与一般的Buck电路不同，一般的Buck电路中除了有一个开关管外，还有一个二极管，而此电路中原本那个位置的二极管变成了一个N沟道增强型MOSFET开关管，为什么要这样做呢？这是因为用MOSFET来替代二极管，能使得电路获得比较高的效率，同时两个开关管互为补充。VS1和VS2两端分别反并联二极管D1，D2，为电感电流的正向及反向流通提供回路，两个开关管上并联的电容C1，C2用来与电感L组成准谐振回路进行充放电，电容Co是滤波电容，取值较大即可，只起到滤波电容的作用。VS1和VS2分别由触发脉冲ug1和ug2互补驱动，ug1，ug2分别为VS1，VS2的栅源极电压，并且ug1和ug2之间有一定的死区防止共态导通，同时VS1和 VS2两个开关管的软开关也必须在该死区内完成。这是一种最简易的Buck电路软开关电路，与硬开关的Buck电路相比，此电路与之的区别在于，在两个开关管漏源极两端并联有二极管和电容器，硬开关的Buck电路最大的问题在于开通时，开关管上升的电流和下降的电压出现重叠；关断时，上升的电压和下降的电流出现重叠。开关损耗正是来源于电压、电流波形的交叠，并且该损耗随开关频率的提高而以倍数增加。采用此种设计的电路之后，通过谐振充放电，可以使得开关管在每一个触发脉冲到来之前电压放电到零，具体工作情况的分析如下。

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A14.tmp.jpg

图2.6 主要工作波形

开关电路按周期重复的工作，分析起点的选择很重要，选择合适的起点，可以简化分析过程[5]。在分析此零电压导通准谐振电路时，选择开关管VS1开通时刻为分析的起点最为合适[6]，下面结合图2.6逐段分析电路的工作过程。

一个工作周期分为6个阶段，其工作过程如下：

（1）第1阶段[t0-t1]  VS1导通，此时电路由输入电压Vin，开关管VS1，电感L，滤波电容Co和负载Ro组成，电感上在输入电压到来后，进入充电状态，VS1两端电压为零，VS2两端电压为最大，电感电流iL线性增加，由负值变为正值，为什么是从负值变成正值，看过后面的分析你就会明白，在t1时刻，VS1关断，电感电流到达一个最大值，该阶段结束，由此在电感上就储蓄有一定的能量，表现在电感电流较大上。

（2）第2阶段[t1-t2]  VS1关断后，此时电路由输入电压Vin，结电容C1，结电容C2，电感L，滤波电容Co，负载Ro组成。电感电流iL为正且为最大，VS2的结电容C2通过电感L放电，这正好符合了电流本来流动的方向，因此电感电流iL会线性下降，由于是VS2的结电容C2放电，电感电流减小，同时由于电感电流的存在，VS1的结电容C1被充电，结电容C1两端的电压线性上升，VS2的漏源电压近似线性下降，直到VS2的漏源电压下降到零，该阶段结束。在这一过程中，L和C1，C2形成谐振回路，C2放电，C1充电，为VS2的零电压开通提供条件，这时必须要满足的条件的充放电的时间一定要合理，即一定要满足在死区时间内完成C2两端电压下降到零的要求，否则无法实现VS2的软开关。

（3）第3阶段[t2-t3]  此时电路由电感L，滤波电容Co，负载Ro，VS2的反并二极管D2构成，D2为VS2的反并联二极管。当VS2漏源电压下降至零后，自然而然VS2反并二极管D2导通，电流换流到D2上，电容C2被短路，将VS2漏源电压钳位在零电压状态，为VS2的零电压导通创造了条件，在这里要实现软开关，必须满足的条件是能在短时间内，即在死区时间内让VS2的两端电压到零，如果在触发脉冲到来的时候VS2两端的电压还不能到零的话，就不能实现VS2的软开关。

（4）第4阶段[t3-t4]  此时电路由电感L，滤波电容Co，负载Ro，开关管VS2组成。当VS2的门极变为高电平即触发脉冲到来时，VS2能够实现零电压开通，在本设计中，均是实现零电压开通，因为一般的软开关分为两种，零电压开通型和零电流关断型，要同时满足这两种类型的电路还有待进一步地研究发现。iL流过VS2，此时输入电压端与工作电路隔离开，已经不再起任何作用了，电感电流iL继续线性减小，直到变为负值，到这里就必须要解释一下为什么要使得电感电流到达负值，而为什么电感电流又能到达负值，因为在一般的正常情况下，Buck电路只能工作在CCM（电感电流连续，每个周期内不到零点）和DCM（电感电流断续）的两种模式下，为什么在这个电路中会出现电感电流为负值的情况，如果注意到电路中的两个MOSFET两端反并联的电容和二极管就不难发现答案，它们能提供反向电感电流的正向及反向通路，之所以需要电感电流反向，是因为如果不反向，就不能形成VS1两端并联电容的放电回路，没有放电回路就不能实现VS1两端电压到零，就不能实现软开关，这就是原因所在，之后VS2关断，该阶段结束。

（5）第5阶段[t4-t5]  此时电路由输入电压Vin，结电容C1，结电容C2，电感L，滤波电容Co，负载Ro组成，此时，电感电流iL方向为负，如前所述，正好可以为VS1的结电容C1提供放电回路，于是VS1的结电容C1通过L放电，同时电感电流对VS2的结电容C2充电，同VS2的结电容C2的放电过程相类似，VS1的两端电压可近似为线性下降。该阶段结束于VS1的电压下降到零，这一过程为VS1的零电压导通提供了条件。

（6）第6阶段[t5-t6]  由于 VS1两端电压下降到零，导致VS1的反并二极管D1开通，将VS1的两端电压固定在零，为VS1的零电压导通创造了条件，两个开关的软开关过程都必须是在死区时间内完成，并联电容起到充放电的作用，反并二极管起到将电压钳位在零的作用。

接着VS1在栅极触发脉冲到来时，VS1零电压条件下导通，实现软开关，进入下一周期，周而复始。那么到底要满足怎样的条件才能真正地实现软开关？下面进入参数分析，公式推导阶段。

综上所述，Imin对结电容C1，C2充放电情况决定VS1的软开关条件，而同样，Imax对C1，C2充放电情况决定了VS2的软开关条件。L，C1，C2的谐振充放电情况将直接影响软开关的实现条件，而它们的充放电情况又由Imin和Imax决定，所以说Imin与Imax的大小将直接影响软开关的实现难易程度。

进入计算分析阶段，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)

要实现VS2的软开关，根据能量大小关系，必须满足让C2上的电压谐振到零，即为：

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）

为了更加便于计算，考虑到死区时间很小，再近似为死区时间内iL保持不变，根据电量大小关系可以将VS2的软开关条件简化为：

(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开通前的死区时间为tdead2

同理可推导出VS1软开关条件为：

（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开通前的死区时间为tdead1

在得到（2.5）（2.6）这两个重要公式后，如何进行参数计算是个难点，因为里面的未知量太多，经过各种搜集查证，如何实现这个公式，首先应该设置一些参数，再根据已经设置好的参数，通过限制约束条件来计算另外的一些参数，从而才能满足（2.5）（2.6）这两个重要的公式，从而实现开关管VS1和VS2的软开关。

设输入电压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，

如何计算所有的参数是个难点，得一步一步来。

首先要明确，在tdead1=tdead2的情况下，只要所选取的参数能满足(2.6)式就一定能满足(2.5)式，所以虽然看着是两个条件，其实只需要针对(2.6)即可。

其次，要明确，此电路要实现软开关，需要满足的一个重要条件是电路的电感值L不能过大，即不能让电路工作在电流连续的情况下，而让电路工作在DCM（电感电流断续）状态下，而需要满足的条件应为：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A33.tmp.png<1-D                                               式（2.7）

此时，D=0.4，R=3.8file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1A34.tmp.png，T=5us，经计算可得L<5.7uH，不妨取L=2uH。再将设定的条件代入（2.6）式进行计算，接着为了方便计算近似处理C1=C2=C

原式可变为：

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）

计算得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是滤波电容，取值较大，是参考的有关资料。