基于同步整流技術的Buck變換器研究

劉東立，張逸凡，李欣桐，劉華宇

（ 黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027 ）

0 引言

Buck變換器是一種基本的開關電源變換器，由于其結構簡單、性能優(yōu)良、體積小等特點在中小功率場合得到了廣泛的應用。Buck變換器的續(xù)流二極管在開關MOS管關斷時進行續(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)流二極管的關斷電流尖峰使濾波器和開關管的電應力增大，從而增大了變換器的體積和經濟成本。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變換器的結構，降低經濟成本方面起著重大作用[2]。

1 原理分析

Buck變換器結構簡單，主電路由開關MOS管、續(xù)流二極管和LC低通濾波器組成，其電路結構原理如圖1所示。開關MOS管由PWM驅動，當開關MOS管導通時，續(xù)流二極管D截止，當開關MOS管截止時，續(xù)流二極管續(xù)流導通[3]。

1.1 基本工作原理

假設電路中所有開關元件為理想元器件，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時間段內，開關MOS管導通，續(xù)流二極管截止，流過開關MOS管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動主要由開關MOS管的波動決定，變換器的損耗主要組成成分為開關MOS管的開關損耗[5]。電感兩端承受電壓為Vin-Vo，電感電流線性增加

在ton-T時間段內，開關MOS管截止，續(xù)流二極管導通，流過續(xù)流二極管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動主要由續(xù)流二極管的波動決定，變換器的損耗主要組成成分為續(xù)流二極管的開關損耗[5]。電感兩端承受電壓為反向的Vo，電感電流線性減小

如上可知，電感電流紋波主要由開關MOS管的波動和續(xù)流二極管的波動引起，整個變換器的主要損耗為開關MOS管的損耗和續(xù)流二極管的損耗。由于開關MOS管一般內阻較小，遠小于續(xù)流二極管的損耗，因此需要對續(xù)流二極管續(xù)流過程中存在的問題進行探討和改善。

1.2 存在問題

對續(xù)流二極管的關斷過程進行分析，其在關斷過程中存在著電流反向的過程，關段過程中的電壓電流如圖3所示。

圖3中，IF為流過二極管的電流，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，二極管關斷過程中電流在t1時刻先反向，隨之電壓在t3時刻反向，且電流在t4時刻有較大反向電流，在最后時刻才諧振至零。

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

1）由圖3中的動態(tài)過程可知，二極管關斷過程中存在電壓和電流同時不為零的情況，加上續(xù)流二極管導通時的損耗，整個二極管在續(xù)流過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，續(xù)流二極管存在較大反向電流過沖，此電流過沖由開關MOS管提供，因此開關MOS管需要瞬間提供一個較大的尖峰電流。尖峰電流在增大了開關MOS管的電應力同時，也易使開關MOS管損壞。

2 同步整流技術

為提高Buck變換器的效率，減小開關管的電應力，減少濾波器的體積，優(yōu)化Buck變換器的性能，需要對續(xù)流部分進行優(yōu)化。由于開關MOS管的損耗較小，因此采用同步整流技術，用另一路開關MOS管代替續(xù)流二極管進行續(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°互補的PWM波，經過以IR2110為核心的自舉電路后，分別驅動開關MOS管Q1和續(xù)流MOS管Q2。兩路互補的PWM波如圖5所示。

在0-ton時間段內，驅動PWM波控制開關MOS管導通，續(xù)流MOS管截止，流過開關MOS管的電流即為電感電流。在ton-T時間段內，驅動PWM波控制開關MOS管截止，續(xù)流MOS管導通，流過續(xù)流MOS管的電流即為電感電流。運用MOS管代替了二極管續(xù)流，具有以下方面的優(yōu)勢：

1）MOS管特性穩(wěn)定，相對于二極管而言內阻較小，在工作過程中開關損耗比二極管更小，減小了變換器的損耗，對Buck變換器效率的提高具有重大意義。

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

3）抑制尖峰電流產生，降低開關MOS管的電應力，同時減小濾波電感紋波，對優(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 實驗測試

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

為解決續(xù)流二極管關斷過程產生的反向尖峰電流問題，采用了同步整流技術，對電路進行了試驗，MOS管波形如圖7所示。通過實驗檢測，采用同步整流技術后MOS管開通過程中的尖峰電流消失，開關器件動態(tài)性能良好。

采用同步整流技術前后，對電路進行開關MOS管和續(xù)流二極管的紋波電流參數(shù)對比，同時對整個電路的半載效率進行了對比，對比結果見表1。

表1 采用同步整流技術前后Buck電路參數(shù)對比

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

4 結語

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)流二極管關斷時產生反向尖峰電流的問題，采用了同步整流技術，利用MOS管代替了二極管進行續(xù)流。采用SG3525芯片作為控制芯片，通過以IR2110芯片為核心的自舉電路，對開關MOS管和續(xù)流MOS進行驅動。通過電路原理分析和電路仿真，結果顯示帶有同步整流技術的Buck變換器具有變換效率高、工作過程中電磁干擾小、開關MOS管電應力小等優(yōu)點，在實際應用中具有一定的可靠性和推廣性。