一种基于Buck变换器的缓冲电路

刘传洋，孙 佐，刘景景

池州学院机电工程学院， 安徽池州,247000

伴随着电子器件和电子技术发展，DC/DC变换器正逐渐向高效率、小型化、高功率因数、低EMI方向发展，且广泛应用于电力系统、生物医疗、电子设备、通信网络等领域[1]。Buck 变换器作为一种结构简单、重量轻、经济实用的DC/DC变换器，受到电子产品的青睐[2]。然而Buck 变换器开关器件工作在高频开关状态，对于开关器件来说，硬开关开关频率越高，在开通和关断过程中电压与电流的重叠区域变大，使得开关损耗增大，不仅不利于Buck 变换器效率的提高，而且减小了开关器件的安全工作区域，严重时会损毁开关器件[3]。

功率管开关损耗的大小取决于开通或关断过程中，电压与电流重叠区域的大小，Buck 变换器通过增加缓冲电路提高工作效率。缓冲电路分为有源和无源缓冲电路，一般不采用有源缓冲电路，因为有源缓冲电路中辅助开关无法实现零电压零电流开通或关断[4-6]。无源缓冲电路根据开关器件承受的电压应力大小分为最小电压应力和非最小电压应力缓冲电路。最小电压应力缓冲电路中用于驱动控制开关器件的PWM占空比范围较窄，因为缓冲电路中的缓冲电感与电容比值受限制；非最小电压应力缓冲电路通过增大开关器件的电压应力来扩大PWM占空比范围，但是开关器件承受电压应力过大容易造成损坏[7-8]。

本文提出一种新型的用于BUCK 变换器的无源低损缓冲电路。缓冲电路结构简单、控制方便，不受谐振元件参数限制，拓宽了PWM占空比范围，开关器件在较大范围内实现软开关，提高了BUCK 变换器工作效率。

1 Buck变换器缓冲电路拓扑

Buck 变换器主电路如图1所示，Ui为直流输入电压，VT为功率管，L为滤波电感，C为滤波电容，R为等效阻抗，VD为续流二极管，电容C1、电感Lr、电容Cr、二极管D1、电阻R1、电阻R2构成缓冲电路。滤波电感L为主储能电感，电感量较大；电感Lr的电感量较小，实现功率管VT的零电流(ZCS)开通。二极管D1与电阻R1串联构成电感Lr的放电回路。功率管VT为IGBT，电容C1与IGBT的发射极相连，目的是避免IGBT集电极-发射极电压突变，实现IGBT的零电压(ZVS)关断。

图1 Buck变换器主电路拓扑

在功率管VT开通过程中，电感Lr一方面使IGBT的发射极电流从0开始增大，另一方面避免续流二极管VD反向恢复电流的上升率di/dt；在功率管VT关断过程中，直流输入电压Ui对电容C1进行充电，降低IGBT集射极之间的du/dt。引入缓冲电路可以降低功率管VT的开通损耗和关断损耗，缓冲电路为无源低损电路，只有很小一部分能量消耗在电阻R1和电阻R2上。

2 Buck变换器工作原理分析

Buck 变换器主要工作波形如图2所示，结合图3Buck 变换器工作模态图分析变换器工作原理。假设功率管VT、续流二极管VD、二极管D1均为理想器件，其导通电阻为零，关断电阻无穷大；电容C1、Cr和电感Lr均为无损元件；输出滤波电感L足够大，输出电流近似恒定[9]。

(1)模态1[t0-t1]:功率管VT开通阶段

t0时刻对功率管VT的栅极施加触发信号，功率管VT的发射极电流从0开始逐渐增大，功率管VT的发射极电压逐渐升高，实现ZCS开通。由于电感Lr的存在，功率管VT发射极电流从0开始变化，续流二极管VD电流逐渐减小；由于电容C1的存在，功率管VT集电极-发射极电压不能突变，输入电源Ui经过功率管VT对电容C1充电；当t1时刻续流二极管VD电流减小到0，结束模态1。

图2 Buck变换器主要工作波形

图3 Buck 变换器工作模态图

(2)模态2[t1-t2]：电容C1充电阶段

t1时刻续流二极管VD关断，直流输入电压Ui继续通过功率管VT对电容C1充电；电感Lr与电容Cr发生谐振，电感Lr电流反向增大并对电容Cr进行充电，避免了续流二极管VD反向恢复产生的电流上升率di/dt；当t2时刻电容C1电压增大到直流输入电压Ui，结束模态2。

(3)模态3[t2-t3]：电感Lr复位阶段

t2时刻电容C1充电结束，电容C1两端电压为直流输入电压，电感Lr与电容Cr继续发生谐振，继续对电容Cr充电，随着电容Cr电压升高，二极管D1导通为电感Lr放电提供续流回路，直到t3时刻电感Lr电流减小到0，结束模态3。

(4)模态4[t3-t4]：PWM导通阶段

t3时刻电感Lr电流减小到0，续流二极管VD、二极管D1、电容Cr和电感Lr均停止工作，功率管VT进入正常PWM导通阶段，直流输入电压Ui通过功率管VT、滤波电感L为负载供电，直到t4时刻功率管VT栅极没有触发信号，功率管VT开始关断，结束模态4。

(5)模态5[t4-t5]：功率管VT关断阶段

t4时刻功率管VT发射极电流开始减小，电容Cr通过二极管D1、电阻R1、电阻R2放电，电容C1经滤波电感L、负载放电，功率管VT集电极-发射极电压缓慢上升，实现功率管VT的零电压关断(ZVS)，直到t5时刻电容C1、Cr放电到0，结束模态5。

(6)模态6[t5-t6]：电感Lr充电阶段

t5时刻电容C1、Cr放电电压为0，续流二极管VD导通，续流二极管VD通过电感Lr和二极管D1、电阻R1为负载续流，电感Lr电流从0开始逐渐增大，流过二极管D1、电阻R1上的电流逐渐减小，直到t6时刻二极管D1关断，流过电感Lr的电流为负载电流，结束模态6。

(7)模态7[t6-t7]：PWM 关断阶段

t6时刻续流二极管VD通过电感Lr为负载续流，且电容C1电压为0，为功率管VT下个周期实现ZCS开通创造条件。

3 Buck变换器缓冲电路参数设计

对于Buck 变换器加入缓冲电路后，在直流输入电压Uin=40-60V；开关频率f=50kHz；负载等效电阻R=6Ω；输出电流Io=4A，能够实现功率管VT的零电流开通(ZCS)和零电压关断(ZVS)，降低功率管VT的开通损耗和关断损耗，在一个开关周期内只有很少一部分能量消耗在电阻R1和电阻R2上。

3.1 电容C1选择

功率管VT采用IGBT，IGBT的关断损耗包括电流下降与电压上升重叠区功率损耗和电流拖尾功率损耗，且电流拖尾功率损耗约占总的关断损耗的一半[10]。为了降低IGBT的电压过冲，通过在IGBT的发射极与输入电源负极之间并联电容C1实现IGBT的ZVS关断，减小关断损耗。IGBT的关断损耗随电容C1的取值增大而减小，同时电容C1取值越大，IGBT开通时的电流尖峰越大。电容C1取值通过下式计算[11]：

(1)

其中，tfi为IGBT的电流下降时间，取值为150 ns。电容C1选择6.8 nF/250V的金属化聚丙烯膜电容。

3.2 电容Cr选择

电容Cr用于吸收续流二极管VD关断时产生的电压过冲，增大电容Cr可以使电压过冲明显减小，但是电容增大不仅会延长缓冲电路工作时间，而且使电阻R2的功率损耗增大。从最小电压应力的角度来选取电容Cr为3倍的IGBT输出寄生等效电容Coes[12]。确定IGBT寄生等效电容Coes=3.247 nF，选择Cr=3Coes≈10 nF耐压250 V的金属化聚丙烯膜电容。

3.3 电感Lr选择

电感Lr利用电感电流不能突变特性，在功率管IGBT开始导通时使通过IGBT的电流从0开始增大，IGBT的发射极电流与电感Lr电流之和等于负载电流。电感Lr电流减小到0后反向增大，避免了续流二极管VD关断时造成的反向恢复。IGBT导通电流上升的斜率di/dt大小通过电感Lr进行调节。电感Lr通过以下公式进行选择：

(2)

trr为续流二极管VD电流反向恢复时间，Qrr为续流二极管VD反向恢复电荷，电感Lr取0.16 uH。

3.4 电阻R1选择

电阻R1和二极管D1构成缓冲网络，在IGBT开通时，为电感Lr提供能量释放的通道；在IGBT关断后，利用电感电流不能突变，电阻R1和二极管D1在电感Lr充电到Io之前续流。电感Lr电流充电时间：

(3)

电感Lr电流充电到Io的时间小于续流二极管VD导通时间，满足以下公式：

TRL<(1-Dmax)T

(4)

Vd为二极管D1通态压降。电阻R1选择0.1 Ω。

4 仿真、实验验证

4.1 仿真验证

为了验证上述Buck 变换器缓冲电路拓扑能够实现软开关，在saber 2012软件平台下，建立了Buck 变换器缓冲电路拓扑的仿真模型，参数设置如下：输入电压为直流50 V，功率管IGBT的开关频率为50 kHz，输出功率为100 W，负载输出电流为4 A，仿真时间为1 S。

功率管IGBT开通瞬间如图4所示，IGBT开通瞬间集电极-发射极电压uCE逐渐降低并在电压0点附近振荡，同时发射极电流iE从0开始逐渐增大，集电极-发射极电压uCE与发射极电流iE重叠区域比较小，从图4可以看出功率管IGBT实现了零电流开通(ZCS)。功率管IGBT关断瞬间如图5所示，IGBT关断瞬间IGBT发射极电流iE缓慢降低，IGBT集电极-发射极电压uCE缓慢升高，发射极电流iE与集电极-发射极电压uCE重叠区域也比较小，从图5可以看出功率管IGBT实现了零电压关断(ZVS)。

图4 功率管ZCS开通仿真波形

图5 功率管ZVS关断仿真波形

4.2 实验验证

为了验证上述缓冲电路及仿真结果的准确性，制作设计了一台100 W的实验样机，Buck 变换器主电路所设计的参数和选用的元器件如表1所示。

图6、图7给出了功率管IGBT开通和关断瞬间的实验波形。图6在功率管IGBT开通瞬间IGBT发射极电流iE从0开始逐渐增大，电流变化率di/dt得到了延缓，集电极-发射极电压uCE放电较快，发射极电流iE与集电极-发射极电压uCE重合区域较

表1 Buck变换器元件参数表

小，开通损耗降低，实现了功率管IGBT开通软开关。图7在功率管IGBT关断瞬间IGBT集电极-发射极电压uCE上升缓慢，电压变化率du/dt得到延缓，同时发射极电流iE缓慢降低，集电极-发射极电压uCE与发射极电流iE重叠区域明显减少，实现了功率管IGBT关断软开关。

图6 IGBT开通瞬间iE与uCE波形

图7 IGBT关断瞬间iE与uCE波形

本文提出一种新型的用于Buck 变换器的无源低损缓冲电路，缓冲电路结构简单、控制方便，避免了最小电压应力电压缓冲单元的缓冲电感与电容的比值受限制、非最小电压应力缓冲单元存在开关器件承受的电压应力过大的问题。通过缓冲电路参数设计、仿真与实验验证，功率管IGBT在开通时电流变化率di/dt得到延缓，电流和电压的交叠区域减小，实现开通软开关；功率管IGBT在关断时，集电极-发射极电压变化率du/dt得到延缓，发射极电流缓慢降低，关断损耗降低，实现了关断软开关。Buck变换器功率管IGBT的开关损耗得到降低，变换器的工作效率得以提高。