一種雙路Buck 變換器研究

閃靜潔，孫照陽(yáng)

（安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，安徽合肥，230012）

0 引言

單路Buck 變換器電路簡(jiǎn)單、效率高、動(dòng)態(tài)特性好，在產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，但輸出紋波偏大的缺點(diǎn)限制了其在特定場(chǎng)合的應(yīng)用。為此，急需解決單路Buck 變換器的輸出紋波問(wèn)題。單路Buck 變換器在進(jìn)行大電流輸出時(shí)，開(kāi)關(guān)管應(yīng)力較大，系統(tǒng)效率和散熱效果不佳等問(wèn)題都較為明顯[1~3]。因此，在低電壓大電流場(chǎng)合一般不會(huì)采用單路Buck 變換器。

解決單路Buck 變換器輸出紋波大的問(wèn)題，通常采用增加Buck 變換器輸出濾波電路的方案[4~5]，但這種方案增加了Buck 變換器的成本和體積，降低了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和效率[6~7]。而雙路Buck 變換器，在不增加每路開(kāi)關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，通過(guò)雙路Buck 變換器級(jí)聯(lián)提高系統(tǒng)輸出紋波頻率，減小輸出紋波。同時(shí)通過(guò)雙路開(kāi)關(guān)管輪換導(dǎo)通傳遞能量，提高變換器的功率密度、散熱能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。另外，通過(guò)采用碳化硅功率管，可以有效提高系統(tǒng)的效率及性能，對(duì)改善電源可靠性具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的雙路Buck 變換器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)與通常所說(shuō)的交措控制Buck 變換器不同，它是基于雙路Buck 變換器級(jí)聯(lián)后的輪換控制，其電路實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、元器件更少、控制也更方便。

1 雙路Buck 級(jí)聯(lián)電路的工作原理

在介紹雙路Buck 變換器之前，先了解下多路Buck 變換器。多路Buck 變換器是單路Buck 變換器級(jí)聯(lián)運(yùn)行方式的一種。多路Buck 變換器是指多路開(kāi)關(guān)管級(jí)聯(lián)且開(kāi)關(guān)頻率相同，多路開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻依次相差一定的開(kāi)關(guān)周期。多路Buck 變換器不同于交錯(cuò)級(jí)聯(lián)Buck 變換器[8]，這類(lèi)Buck 變換器雖然也由開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、濾波電感、濾波電容等組成，但其續(xù)流二極管和濾波電感是公用的，這種工作方式可以在紋波要求高、散熱效果不佳的電源領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用。

雙路Buck 變換器是多路Buck 變換器中最典型的變換器。雙路Buck 變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的D、S 端對(duì)應(yīng)連接，通過(guò)控制G、S 之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)輪換導(dǎo)通，從而使得驅(qū)動(dòng)頻率相同、相位近似互補(bǔ)，在雙路開(kāi)關(guān)頻率不變的前提下，將輸出紋波頻率提高到每路開(kāi)關(guān)的兩倍，進(jìn)而降低輸出紋波，同時(shí)通過(guò)分散開(kāi)關(guān)管的排布改善散熱效果。

綜上可知，雙路Buck 變換器相對(duì)于單路Buck 電路而言，具備絕明顯優(yōu)勢(shì)。它對(duì)濾波感性、容性元件和磁性元件的要求明顯降低，從而使設(shè)計(jì)出的濾波網(wǎng)絡(luò)體積更小、整機(jī)功率密度更高。其中，雙路Buck 變換器原理示意圖如圖1所示。

圖1 雙路Buck 變換器原理示意圖

其中，Q1 和Q2 是雙路級(jí)聯(lián)的開(kāi)關(guān)管，在電路工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)按圖2所示時(shí)序進(jìn)行變化。即在Q1 和Q2 的D、S 端對(duì)應(yīng)連接的前提下，Q1 和Q2 各自的G、S 之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輪換導(dǎo)通，使得驅(qū)動(dòng)頻率相同、相位近似互補(bǔ)。

圖2 Q1 和Q2 驅(qū)動(dòng)波形示意圖

2 雙路Buck 變換器設(shè)計(jì)

下面通過(guò)以一種雙路Buck 變換器設(shè)計(jì)過(guò)程為例，說(shuō)明雙路Buck 變換器的設(shè)計(jì)方法。該雙路Buck 變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：輸入電壓520V(420V~620V)，輸出電壓400V，輸出功率3kW，每路開(kāi)關(guān)頻率30kHz，紋波系數(shù)0.2。

■2.1 主電路設(shè)計(jì)

該變換器的主要特點(diǎn)是效率高、紋波小、濾波電路體積小。主電路采用雙路單管級(jí)聯(lián)為基本拓?fù)?，并采用碳化硅開(kāi)關(guān)管。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括主電路、控制單元、驅(qū)動(dòng)電路和閉環(huán)調(diào)節(jié)電路。針對(duì)雙路Buck 變換器，為了保證兩路開(kāi)關(guān)管支路之間電流一致性，在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能使雙路的布局基本相同，開(kāi)關(guān)管用同一批次產(chǎn)品，并通過(guò)對(duì)雙路進(jìn)行整體的閉環(huán)調(diào)試，測(cè)試紋波等相關(guān)指標(biāo)。雙路Buck 變換器主電路原理圖如圖3 所示。

圖3 主電路原理圖

其中，C2、C3、C7、C9、C5 為輸入濾波電容，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸入的削峰填谷，提高直流輸入電能質(zhì)量；R3和R7 為輸入死負(fù)載電阻，主要用于實(shí)現(xiàn)輸入濾波電容的放電和穩(wěn)定直流輸入；Q1 和Q2 為開(kāi)關(guān)管，用于實(shí)現(xiàn)輸入輸出能量變換；C1 和R1 為開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 的RC 濾波電路，用于吸收開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰，保證開(kāi)關(guān)管Q1 和Q2 的使用安全；R2 和R6 為開(kāi)關(guān)管G、S 端的放電電阻，用于開(kāi)關(guān)管G、S 寄生電容放電，提高開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷速度；R8為輸出電流采樣電阻，用于實(shí)現(xiàn)輸出電流采樣；L1 為濾波電感、C6 和C8 為濾波電容，L1、C6 和C8 構(gòu)成LC 濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸出的濾波處理，提高直流輸出電能質(zhì)量；V1 為續(xù)流二極管，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中電路能量的有效續(xù)流，保證輸出電流的連續(xù)性。

雙路Buck 變換器的主電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)為開(kāi)關(guān)管的選型及輸出濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)。其中，開(kāi)關(guān)管的選型需要考慮開(kāi)關(guān)管的電壓電流應(yīng)力、開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通阻抗、熱阻等內(nèi)容，選型過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。下面重點(diǎn)說(shuō)明輸出濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)，該部分為主電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

為保證雙路Buck 變換器高效可靠工作，將從CCM 模式和臨界模式兩個(gè)方面入手，保證濾波電感和濾波電容的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

（1）濾波電感設(shè)計(jì)

當(dāng)Buck 變換器工作在CCM 模式時(shí)，雙路Buck 變換器的電感電流為輸出電流7.5A，輸入電壓最高時(shí)，Buck 變換器的工作狀態(tài)最?lèi)毫?，此時(shí)濾波電感可由(1)得到。

當(dāng)Buck 變換器工作在臨界模式時(shí)，此時(shí)濾波電感可由(2)得到。

電感感量設(shè)計(jì)值不小于1.577mH。

（2）濾波電容設(shè)計(jì)

根據(jù)雙路Buck 變換器特點(diǎn)，為滿(mǎn)足紋波要求，濾波電容需滿(mǎn)足(3)。

電容值與上述兩種模式電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示?？梢缘玫诫姼刑幱?.315mH~1.577mH 范圍是，Co ≥3.556μF 即可滿(mǎn)足紋波電壓低于8V（既0.2×400）的要求。

表1 電容與電感關(guān)系對(duì)照表

故濾波電感的感量設(shè)計(jì)值不小于1.577mH，濾波電容的容量設(shè)計(jì)值不小于3.556μF，濾波電感和濾波電容的具體數(shù)值可結(jié)合產(chǎn)品電氣性能要求和結(jié)構(gòu)特征要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[9~10]，此處不再贅述。

■2.2 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元是雙路Buck 變換器的控制核心，其設(shè)計(jì)選型將直接影響雙路Buck 變換器的響應(yīng)速度、可靠性、控制精度和設(shè)計(jì)成本[5]。為此，在市場(chǎng)主流控制芯片中遴選最合適的控制芯片，保證雙路Buck 變換器的控制效果。雙路Buck 變換器控制單元采用控制芯片SG3525，并輔助其他相關(guān)元器件實(shí)現(xiàn)。其中，SG3525 作為一款集成PWM 控制芯片，它的性能優(yōu)良、功能齊全，在很多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能可靠，使用方便，同時(shí)能限制最大占空比?？刂茊卧韴D如圖4 所示。

圖4 控制單元原理圖

■2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于雙路Buck 變換器需要雙路相差180 度的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，雙路輪換控制采用SG3525 芯片來(lái)輸出 PWM 波，然后再通過(guò)功率放大電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的輪換控制。而為了保證雙路Buck 變換器開(kāi)關(guān)管的正常通斷，驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力和驅(qū)動(dòng)效果是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需要著重考慮的內(nèi)容。所以本產(chǎn)品優(yōu)選圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)本產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)圖騰柱電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)能力和驅(qū)動(dòng)效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制單元之間的電氣隔離，解決Buck 電路“浮地”驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

■2.4 調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

閉環(huán)調(diào)節(jié)電路是實(shí)現(xiàn)雙路Buck 變換器開(kāi)關(guān)管穩(wěn)壓輸出和最大電流保護(hù)的重要組成部分，同時(shí)也是提高變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度的核心。為此，將根據(jù)雙路Buck 變換器的應(yīng)用環(huán)境，采用電壓閉環(huán)控制及最大電流保護(hù)模式。其中，電壓環(huán)路用于實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，最大電流保護(hù)用于實(shí)現(xiàn)最大電流限制，并通過(guò)電壓環(huán)路對(duì)調(diào)節(jié)信號(hào)的鉗位，實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)路優(yōu)先控制。調(diào)節(jié)電路原理圖如圖6 所示。

圖6 調(diào)節(jié)電路原理圖

3 應(yīng)用試驗(yàn)

根據(jù)雙路Buck 變換器的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，在上述設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)和工程實(shí)際需要，制作了雙路Buck 變換器的原理樣機(jī)，并在保證相同輸入電壓、相同的開(kāi)關(guān)頻率和相同的輸出電流條件下，分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。其中，圖7(a)為單路Buck變換器實(shí)驗(yàn)波形，圖7(b)為采用雙路Buck 變換器實(shí)驗(yàn)波形。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，在相同的輸入輸出條件下，采用雙路的Buck變換器的輸出紋波比單路Buck 變換器輸出紋波小。

圖7 輸出紋波實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雙路Buck 變換器利用了級(jí)聯(lián)倍頻原理，能夠有效降低輸出紋波。通過(guò)均衡化扁平化的能量平均分布設(shè)計(jì)，使電路的熱分布更好，改善了功率器件的散熱效果，進(jìn)而提高能量變換效率和電路的可靠性。同時(shí)，在電路等效開(kāi)關(guān)頻率提高的情況下，雙路Buck 變換器可以使用更小的濾波電感和濾波電容，降低了輸出濾波電路的體積，并有效提高產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，降低成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

在上述雙路的Buck 變換器研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)將多個(gè)開(kāi)關(guān)管級(jí)聯(lián)，并采用相似的輪換控制的方式，可以將雙路級(jí)聯(lián)輪換控制升級(jí)為多路級(jí)聯(lián)輪換控制，進(jìn)一步改善直流輸出電能的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)“零紋波”。但多路Buck 變換器和交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器的缺點(diǎn)類(lèi)似，如每個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比調(diào)節(jié)范圍受限，使開(kāi)關(guān)管的利用率偏低，限制了Buck 變換器級(jí)聯(lián)數(shù)量的進(jìn)一步增加。故如何實(shí)現(xiàn)Buck 變換器級(jí)聯(lián)數(shù)量和輸出紋波、散熱效果及材料成本之間關(guān)系平衡，將是本課題下一步研究的重點(diǎn)。