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Buck工作原理分析,连续模式,断续模式

时间:2018-06-28 20:46:31      阅读:1093      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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Part01:Buck电路工作原理:

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图1-1 Buck电路拓扑结构

Buck电路的拓扑结构如图1-1所示:

(1) input接输入电源,既直流电动势;

(2) IGBT1为开关管,可以选择以全控型开关管为主,对于高频状态多使用MOSFET,对于高电压状态,多采用IGBT(MOSFET或者IGBT由Buck电路具体工作情况决定)。Buck变换器又称降压变换器,通过控制input侧直流电动势的供电与断电实现输出测的降压。开关管的控制方式根据控制信号的不同主要又分为以下三种方式:

a) 脉冲调制型:保持开关周期T不变,调节开关导通时刻ton,(PWM: Pulse Width Modulation)最常用,最容易实现

b) 频率调制(调频型):保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T.

c) 混合调制:同时改变ton和T,使得占空比ton/T发生改变。

(3) 电感储能,Buck电路中电感起到储能的作用,当开关管导通后,电源向电感充电;当开关管关闭后,电感经过二极管续流。通常电感中电流是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

(4) 二极管为续流二极管,当开关管关断以后,为电感的能量提供续流通道。

(5) 输出负载侧接负载,一般先经过电容滤波然后再接负载。

Part02:工作工程分析

分析方法1:常规角度分析(时域分析)

本次设计中,以MOSFET为例分析Buck电路的工作工程。Buck电路根据电感电流IL的连续与断续存在连续导通工作状态和非连续导通工作状态。

(1) CCM模式下:(Continuous Conduction Mode)连续工作模式

当开关管导通时,等效电路如图2-2所示:

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图2-1 开关管导通时,等效电路图

由图2-1所示,输入电源Vin向整个电路供电,电感电流增加,一开始,流过电感的电流小于负载电流IL,此时负载电流由电感和电容共同提供。当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候,电感电流为负载和电容提供能量。

当开关管关断后,等效电路如图2-2所示:

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图2-2 开关管关断后,等效电路图

如图2-2所示,开关管关断时,电感电流下降,此时电流依然大于输出平均值,电容电压延续上述上升的趋势,直至电感电流小于输出平均电流,电容开始放电,完成一个开关周期的循环过程。

整个过程的波形图如图2-3所示:

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图2-3 CCM下工作波形图

(2) DCM模式下:(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通条件下:

在 DCM 模式下,电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零,此时的等效输入电压为输出电压值,具体的波形如图2-4 所示。

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图2-4 DCM模式下工作波形图

在CCM工作模式下,电路的电压输出值和输入值之间呈正比关系,比例系数为占空比D。在DCM工作模式下,输出电压会被抬升,具体的关系和电路的参数,开关频率以及占空比有关。推导公式如下:技术分享图片,其中技术分享图片

根据上述公式可以看出,当输出端开路,及电阻无穷大的时候,输入等于输出。

分析方法2:从滤波器的角度分析

二阶滤波器:

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图2-5 二阶滤波器

二阶滤波器的传递函数:技术分享图片

二阶滤波电路的固有频率技术分享图片

通过对上述的传递函数的分析可以发现,二阶滤波器可以等效为一个比例环节和一个震荡环节构成。其中震荡环节的自然震荡频率为:技术分享图片,阻尼比为技术分享图片.,该二阶滤波器的谐振频率为技术分享图片。所以该二阶滤波器的谐振频率小于等于自然频率,在负载一定的情况下(既R为定值时),电容C的大小影响该二阶系统的阻尼系数,既影响系统的响应速度和超调量;在负载一定的情况下,增大系统的电感值,可以使得系统的阻抗增加,即在输入电压一定的情况下,得到的纹波电流就越小。

该电路的总体阻抗为: 技术分享图片

典型二阶滤波器电路与Buck电路的后半部分结构相同,唯一不同的是在二阶滤波器中,电流可以双向流通,而Buck电路后半部分只允许电流单向流动。当二阶滤波器变为只能单向流动的二阶电路时,电路的工作过程会产生不同的结果。在该工作情况下该电路的不再是一个滤波电路,而变成一个整流电路。

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图2-6 电流单向流动的二阶滤波器

Buck电路有以下三种工作模式:

(1) CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式:在一个开关周期内,电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。

(2)DCM,(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式:在开关周期内,电感电流总会会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。

(3)BCM(Boundary Conduction Mode),边界或边界线导通模式:控制器监控电感电流,一旦检测到电流等于0,功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高,而截至斜坡相当平,则开关周期延长,因此,BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM(Critical Conduction Mode)。

工作模式的判别条件为:

电流连续的条件为:

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其中技术分享图片, 技术分享图片, 技术分享图片

Part03: 连续工作模式(CCM)

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图3-1 连续工作模式(CCM)仿真主电路图

如图3-1所示,C1为滤波电容,滤除输入电源的干扰;C2为输出滤波电容,在开关管导通时,为负载提供能量,并且存储能量,可以起到对输出电压的滤波作用;电感L1为储能电感,开关管开通时,通过电感向负载供电,且电感存储能量,当开关管关断以后,电感上面的剩余能量通过二极管D1续流释放能量;二极管D1一方面具备释放电感能量的续流作用,此外利用二极管的单向导通性能,在开关管处于开通状态时,将电路输入电压钳位到电源电压。

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图3-2 开关管驱动信号

如图3-2所示,开关管的驱动信号通过一个信号源产生,本次仿真中输入电源设置为400V,输出期望电压为300V,开关频率为30Khz。所以信号源参数设置如图3-3所示,对应的PWM驱动信号如图3-4。

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图3-3 信号源参数设置

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图3-4 PWM驱动信号

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图3-5 稳态下电感电流波形图

由图3-5所示,在该Buck电路处于稳定状态下时,流过电感的电流在23-27之间呈三角波形式波动,其平均电流约为24.6A,流过电感的电流大于0,所以处于连续工作状态。该工作模式下,Buck电路的输入、输出电压波形如图3-6所示,由图可知,输出电压大约0.01s以后稳定在300V,且具有较好的响应速度,但是超调量较大。经过测量,输出电压可达到的 最大值为458V。

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图3-6 CCM下Buck电路输入输出电压

Part04:非连续工作模式(DCM)

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图4-1 非连续工作模式(DCM)仿真主电路图

DCM下仿真电路如图4-1所示,通过与图3-1对比可见只需要修改电感参数即可使Buck电路工作在非连续状态,其余均相同。这一点通过Part02中的Buck电路判定条件可以得到验证。

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图4-2 稳态下电感电流波形图

由图4-2所示,在该Buck电路处于稳定状态下时,流过电感的电流在0-70之间呈三角波形式波动,其平均电流约为30.9A,流过电感的电流大于0,但是在电流为0时,存在一段时间流过电感的电流一直为0,既电感电流处于非连续工作状态。该工作模式下,Buck电路的输入、输出电压波形如图4-3所示,由图可知,在DCM工作模式下,输出电压大于CCM工作模式下的输出电压,经过测量大约为370V。

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图4-3 DCM下Buck电路输入输出电压

Part05:连续工作模式(CCM)和非连续工作模式(DCM)的特点

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图5-1 CCM和DCM两种模式下电感电流波形

CCM模式下Buck电路特点:

(1)D 限定在小于 1,降压变换器的输出电压始终小于输入电压;

(2)如果忽略各种欧姆损耗,变换系数D与负载电流无关;

(3)通过变化占空比 D,可以控制输出电压;

(4)降压变换器工作于 CCM,会带来附加损耗。因为续流二极管反向恢复电荷需

要时间来消耗,这对于功率开关管而言,是附加的损耗负担;

(5)输出没有脉冲纹波,但是有脉冲输入电流。

DCM模式下Buck电路特点:

(1)D 依赖于负载电流;

(2)对于相同的占空比,DCM工作模式下的传递系数比CCM工作模式下大。在负载电流低且工作于深度DCM工作模式下,传递系数容易达到1。

Buck工作原理分析,连续模式,断续模式

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