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基于同步整流技术的Buck变换器研究

2020-04-22刘东立张逸凡李欣桐刘华宇

电动工具 2020年2期
关键词:尖峰二极管电感

刘东立,张逸凡,李欣桐,刘华宇

( 黑龙江科技大学 电气与控制工程学院,黑龙江 哈尔滨 150027 )

0 引言

Buck变换器是一种基本的开关电源变换器,由于其结构简单、性能优良、体积小等特点在中小功率场合得到了广泛的应用。Buck变换器的续流二极管在开关MOS管关断时进行续流,而续流二极管的损耗在一定程度上影响了Buck变换器的效率[1]。在电感电流连续的情况下,续流二极管的关断电流尖峰使滤波器和开关管的电应力增大,从而增大了变换器的体积和经济成本。分析Buck变换器的工作原理,寻求新的续流方法,在优化Buck变换器的结构,降低经济成本方面起着重大作用[2]。

1 原理分析

Buck变换器结构简单,主电路由开关MOS管、续流二极管和LC低通滤波器组成,其电路结构原理如图1所示。开关MOS管由PWM驱动,当开关MOS管导通时,续流二极管D截止,当开关MOS管截止时,续流二极管续流导通[3]。

1.1 基本工作原理

假设电路中所有开关元件为理想元器件,输出滤波电容C2足够大,滤波电感L感值足够大,以电感电流连续为例进行分析,各主要元器件电压和电流波形如图2所示[4]。

在0-ton时间段内,开关MOS管导通,续流二极管截止,流过开关MOS管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由开关MOS管的波动决定,变换器的损耗主要组成成分为开关MOS管的开关损耗[5]。电感两端承受电压为Vin-Vo,电感电流线性增加

在ton-T时间段内,开关MOS管截止,续流二极管导通,流过续流二极管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由续流二极管的波动决定,变换器的损耗主要组成成分为续流二极管的开关损耗[5]。电感两端承受电压为反向的Vo,电感电流线性减小

如上可知,电感电流纹波主要由开关MOS管的波动和续流二极管的波动引起,整个变换器的主要损耗为开关MOS管的损耗和续流二极管的损耗。由于开关MOS管一般内阻较小,远小于续流二极管的损耗,因此需要对续流二极管续流过程中存在的问题进行探讨和改善。

1.2 存在问题

对续流二极管的关断过程进行分析,其在关断过程中存在着电流反向的过程,关段过程中的电压电流如图3所示。

图3中,IF为流过二极管的电流,UF为二极管两端电压,UR为加在二极管两端的反向电压。由图3可知,二极管关断过程中电流在t1时刻先反向,随之电压在t3时刻反向,且电流在t4时刻有较大反向电流,在最后时刻才谐振至零。

根据续流二极管的动态特性和Buck变换器的工作原理,存在以下问题:

1)由图3中的动态过程可知,二极管关断过程中存在电压和电流同时不为零的情况,加上续流二极管导通时的损耗,整个二极管在续流过程中存在着较大损耗,影响Buck变换器的效率。

2)电感电流连续时,续流二极管存在较大反向电流过冲,此电流过冲由开关MOS管提供,因此开关MOS管需要瞬间提供一个较大的尖峰电流。尖峰电流在增大了开关MOS管的电应力同时,也易使开关MOS管损坏。

2 同步整流技术

为提高Buck变换器的效率,减小开关管的电应力,减少滤波器的体积,优化Buck变换器的性能,需要对续流部分进行优化。由于开关MOS管的损耗较小,因此采用同步整流技术,用另一路开关MOS管代替续流二极管进行续流,电路原理如图4所示。

采用SG3525为控制芯片,输出两路相位差为180°互补的PWM波,经过以IR2110为核心的自举电路后,分别驱动开关MOS管Q1和续流MOS管Q2。两路互补的PWM波如图5所示。

在0-ton时间段内,驱动PWM波控制开关MOS管导通,续流MOS管截止,流过开关MOS管的电流即为电感电流。在ton-T时间段内,驱动PWM波控制开关MOS管截止,续流MOS管导通,流过续流MOS管的电流即为电感电流。运用MOS管代替了二极管续流,具有以下方面的优势:

1)MOS管特性稳定,相对于二极管而言内阻较小,在工作过程中开关损耗比二极管更小,减小了变换器的损耗,对Buck变换器效率的提高具有重大意义。

2)MOS管在关断过程中不需要电流,在电感电流连续时,用MOS管代替续流二极管避免了续流结束时存在着较大反向电流过冲,减小电流的突变程度,抑制电磁干扰,确保设备工作可靠性。

3)抑制尖峰电流产生,降低开关MOS管的电应力,同时减小滤波电感纹波,对优化变换器体积与器件的选型上具有较大作用,降低变换器成本。

3 实验测试

Buck变换器工作于电感电流连续状态时,在续流二极管关断瞬间存在着较大的反向电流尖峰,导致MOS管电流在开通瞬间也存在较大尖峰。以额定值为3A/6V对Buck电路进行实验,仿真结果如图6所示,尖峰电流对电路元器件存在较大影响。

为解决续流二极管关断过程产生的反向尖峰电流问题,采用了同步整流技术,对电路进行了试验,MOS管波形如图7所示。通过实验检测,采用同步整流技术后MOS管开通过程中的尖峰电流消失,开关器件动态性能良好。

采用同步整流技术前后,对电路进行开关MOS管和续流二极管的纹波电流参数对比,同时对整个电路的半载效率进行了对比,对比结果见表1。

表1 采用同步整流技术前后Buck电路参数对比

由表1结果可知,采用同步整流技术后, 续流尖峰电流值减小,开关MOS管电流最大值减小,Buck变换器的整体效率得到大幅提升。采用同步整流技术后,Buck变换器的性能得到较大改善。

4 结语

为解决Buck变换器工作于电感电流连续状态下,存在的续流二极管关断时产生反向尖峰电流的问题,采用了同步整流技术,利用MOS管代替了二极管进行续流。采用SG3525芯片作为控制芯片,通过以IR2110芯片为核心的自举电路,对开关MOS管和续流MOS进行驱动。通过电路原理分析和电路仿真,结果显示带有同步整流技术的Buck变换器具有变换效率高、工作过程中电磁干扰小、开关MOS管电应力小等优点,在实际应用中具有一定的可靠性和推广性。

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