DCDC變換器拓撲選擇和分析案例概述傳統(tǒng)意義上的DCDC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)可大致劃分為兩種基本類型，一種類型主要是泛指在工作期間輸入電源與變換器的輸出負載共用一個相同的電流通路的非隔離型DCDC變換器；另一種類型則是隔離型DCDC變換器，是直接利用一個磁性元器件的互相耦合來這直接實現(xiàn)能量間相互轉(zhuǎn)換且電源和負載之間不共享通路。同時，隔離型變換器還可以劃分為正激式、推挽式、反激式和橋式；非隔離型變換器還可以再細致地劃分為：升壓型DCDC變換器、升降壓型DCDC變換器、降壓型DCDC變換器、Speic變換器和Zeta變換器等。根據(jù)本課題技術(shù)指標的要求選擇的拓撲結(jié)構(gòu)是非隔離型BuckDCDC變換器（降壓型DCDC變換器），所用電路也可以叫做降壓斬波電路。Buck型拓撲有兩種，一種是開關(guān)管和二極管代替理想開關(guān)，另一種是同步整流也就是利用兩個開關(guān)管代替理想開關(guān)。經(jīng)過對兩個電路的分析，最終采用了同步整流的Buck型DCDC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。理想Buck變換器的基本設(shè)計電路和基本拓撲如REF_Ref71838288\h圖2-1所示，變換器主要包括理想開關(guān)K1和K2、電感L、電容C、直流電源DC、輸出電壓為負載R兩端電壓。電容C使得輸出電壓更加平滑，電感L可以抑制電流突變。電路工作時理想開關(guān)K1和K2交替導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)K1導(dǎo)通且開關(guān)K2截止的時候，電路等效圖如REF_Ref71838447\h圖2-2所示，這段時間內(nèi)電感L1的電流不斷增加；當(dāng)開關(guān)K1截止且開關(guān)K2導(dǎo)通時，變換器電路等效圖如REF_Ref71838514\h圖2-3所示，此時電感L1向電容C充電同時向負載R供電；如果電感電流減小為0時，那么電路中只有電容C向負載供電。圖2-SEQ圖_2.\*ARABIC1Buck型變換器圖2-SEQ圖_2.\*ARABIC2理想開關(guān)K1導(dǎo)通且K2斷開的等效電路圖圖2-SEQ圖_2.\*ARABIC3理想開關(guān)K1截止且K2導(dǎo)通的等效電路圖1.1Buck型變換器拓撲及工作原理在實際應(yīng)用中需要用電力電子器件或者功率半導(dǎo)體器件替代理想開關(guān)，替換后的Buck型變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如REF_Ref71749672\h圖2-4所示，是將REF_Ref71838288\h圖2-1中的。此中Q1為一個功率開關(guān)管，圖中的D為一個續(xù)流二極管，變換器的輸出電壓值就是負載R兩端的電壓值。圖2-SEQ圖_2.\*ARABIC4Buck型DCDC變換器假設(shè)功率開關(guān)管的類型為NMOS時此拓撲的主要工作流程是：當(dāng)NMOS管驅(qū)動電平處于高電平狀態(tài)的時候，Q1導(dǎo)通，二極管D被截止，等效電路圖如REF_Ref71838447\h圖2.2所示，電源向負載供電。當(dāng)驅(qū)動電平處于低電平的時候Q1截止，D導(dǎo)通時，等效電路圖如REF_Ref71838514\h圖2.3所示。通過對工作過程進行分析,本文發(fā)現(xiàn)通過電感的電流可能會出現(xiàn)連續(xù)或者斷斷續(xù)續(xù)的情況，所以此時的變換器在電路中工作時，存在著三種類型的工作模式。第一種是電流處于連續(xù)工作的狀態(tài)，即CCM模式(這一模式下電感的電流在整個工作過程中不會出現(xiàn)為零的情況)；第二種是電感的會出現(xiàn)斷續(xù)模式，即DCM模式(這一模式下電感的電流會出現(xiàn)減小到零的情況)；第三種是處于CCM和DCM之間的臨界情況——BCM模式。CCM模式假設(shè)開關(guān)功率管Q1的導(dǎo)通時間為ton，截止時間為tT=當(dāng)開關(guān)管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)的時候，電感上的電流變換量為：?當(dāng)Q1處于關(guān)斷的狀態(tài)時，電感的電流變換量為：?當(dāng)變換器處于穩(wěn)態(tài)時,根據(jù)電感電流的伏秒平衡原理就是變換器處于穩(wěn)定狀態(tài)的時候開關(guān)導(dǎo)通和截止的期間的電感電流變化量相等，所以有公式(2.4)和(2.5)，其中功率開關(guān)管的導(dǎo)通占空比可以表示為D，所以輸出電壓增益也為D。VV假定變換器是無損耗，此時輸入功率等于輸出功率，所以輸入電流平均值Ii與輸出電壓平均值Io之間的關(guān)系表達式為：I電感電流的最大值和最小值為：II根據(jù)開關(guān)管和續(xù)流二極管的電流最大值等于電感的電流最大值，最小值也等于電感電流的最小值，那么開關(guān)管和續(xù)流管的電流平均值IVT和ID為：II當(dāng)電感電流IL>Io時，電容C處于充電狀態(tài)，此時輸出電壓值升高；反之電容C處于放電狀態(tài)，輸出電壓下降。所以電容在周期內(nèi)的充電增加的電荷就等于充電電流對于時間的積分值，就是：?Q=那么輸出電壓的脈動值為：?所以根據(jù)公式(2.12)可知，可以通過增加濾波電容或者開關(guān)頻率或者電感值來降低輸出電壓的紋波。DCM模式根據(jù)能量守恒定律，，輸入平均功率與輸出功率數(shù)值相等，輸入電壓表示為Vin，此時的輸入電流可以表示為：I此時的功率瞬時值為：P=功率在導(dǎo)通時間內(nèi)通過積分可以獲得周期內(nèi)的平均功率為：P輸出功率的計算公式為：P因為能量守恒定律的存在，所以變換器輸入與輸出的功率沒有變化，那么輸出電壓可以表示為：V根據(jù)公式2-17得到，輸出電壓不僅與輸入電壓有關(guān)，還與占空比和濾波電感值有關(guān)。BCM模式電感電流處于連續(xù)狀態(tài)和不連續(xù)狀態(tài)之間的邊界即為電感電流出現(xiàn)不連續(xù)的臨界點，根據(jù)公式(2.18)知，臨界點的輸出電流表達式為：I根據(jù)公式(2.18)可以得到，如果要讓變換器工作在CCM條件下，負載電流必須大于臨界點的輸出電流。臨界電感可以表示為：L=因為當(dāng)變換器工作在CCM模式下的時候，輸出電壓與輸入電壓之間的增益就是開關(guān)的導(dǎo)通時間占空比，但如果變換器工作在DCM模式之下時，電壓增益和占空比之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性關(guān)系，所以在一般情況下為了方便控制輸出電壓就讓電路就工作在CCM狀態(tài)下。但是，這個變換器的最大技術(shù)缺陷是變換器的損耗主要來自開關(guān)管Q1和續(xù)流二極管D的開關(guān)損耗。又由于續(xù)流二極管D的開關(guān)損耗遠遠大于開關(guān)管Q1的開關(guān)損耗，所以此變換器最大的缺點是二極管的存在對變換器的效率產(chǎn)生較大影響。1.2同步整流Buck電路同步整流技術(shù)的核心是用MOS替換肖特基二極管作為開關(guān)電源輸出端的輸出整流，主要應(yīng)用在低電壓大電流開關(guān)電源中。因為MOS管的管壓降只有肖特基二極管的四分之一到六分之一，所以同步整流技術(shù)大大降低了電路的開關(guān)損耗并提高了電路的效率。同步整流Buck電路的拓撲結(jié)構(gòu)如REF_Ref71754115\h圖2-5所示，與REF_Ref71749672\h圖2-4的不同之處是在Buck型DCDC變換器拓撲的基礎(chǔ)上把原來的續(xù)流二極管被替換為功率MOS開關(guān)管。如果Q1和Q2均為MOS開關(guān)管，那么驅(qū)動MOS的就是兩路互補的PWM波PWMH和PWML