一个同步Buck变换器的产生
衡丽 2023-05-26
Buck的由来
电力电子的发展史我不想多说,经过几十年的发展由最初的线性电源低效率、大体积到目前的高频、小体积和高效率。下面将介绍三种最基本的拓扑之一Buck变换器是如何演变过来的。
学过电子的应该都知道,如何从一个电压(高)得到自己想要的电压值(低),可能最简单的方式就是通过电阻分压,如下面的方式。

这种方式最方便快捷,现在一般的电压采样基本采用这种方式,但是如果功率稍微大一点呢?由于R1和R2是串联的,所以在R1上的损耗不可忽视,如果所要的电压值远低于输入电压,那么该电路的效率就会极其低下。对该电路尝试进行变形,将R1更换为三极管,也就是现在的LDO模型,如下:

通过变型,那么原来在R1上的损耗转移到三极管Q1上面去了,由于Q1承受输入和输出的压差,所以该电路的效率也比较低下。为了提升效率,之前三极管是工作在线性状态,是否可以更改为开关状态呢?这样三极管就只有开关损耗和导通损耗,那么损耗就会大大的降低。可以更改为如下电路:

该电路工作周期时间为Ts,导通时间为Ton,那么占空比就是D=Ton/Ts,但是这样输出电压与开关状态高度关联,S1导通时有输出电压,S1关断时没有输出电压,但是输出负载总是需要连续的能量供给,这对于输出端负载是不可接受的。这就需要进行解耦,在变换器一定位置引入储能元器件电容,这样在即使在输入端S1断开的情况下,输出端电容也可以进行持续的能量输出,保证输出电压的稳定。

如果这样做,大家有没有看出会带来什么样的效果?由于电容两端的电压不能突变,当S1闭合的时候,那么会在线路中产生一个非常大的冲击电流,它不仅导致噪声和EMI问题,这个时候S1可能会被损坏。所以需要对其进行限流,如下:

加入R2限流电阻后,在S1闭合瞬间就没有那么大的冲击电流了,但是由于R2是串联在主功率回路中,电阻就会消耗功率,这样,在开关上减小的功耗最终可能又消耗在所加的电阻上。因此,为了最大限度的提高效率,可以将R2变换为电抗元件,从原理上来说,电抗原件仅存储能量不消耗能量,大家知道,电感两端的电流不能突变,所以在开关S1闭合的时候,电感可以很好的抑制冲击电流而不消耗能量。如下:

这样解决了S1闭合时由于C1的作用引起的浪涌冲击电流,但是当S1断开的时候呢?刚才有提到,电感两端的电流不能突变,当S1突然断开,就相当于电感的电流产生了突变,由于没有续流的回路,那么电感存储的能量就会以“拉弧”的方式消耗,这样就会产生一个非常大的电压尖峰。所以,为了给电感L1提供一个续流路径,需要增加一个续流二极管,如下:

这样,当S1突然断开,L1的能量就会通过二极管进行续流,所以我们也叫续流二极管。当然,为了提升效率,可以将续流二极管更换为MOSFET,如下:

这样一个同步Buck变换器就产生了。可以将电感在不同的位置放置变换为不同的拓扑结构,放在输入端就是Boost变换器,放在下面就是Buck-boost变换器。所以,基本的变换器其实就只有这三种,其他很多拓扑结构都是这三种基本变换器的演变。比如正激就是Buck的隔离版本,反激就是Buck-boost的隔离版本。


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