Buck電路的工作原理詳解

只要是學(xué)過(guò)《電力電子技術(shù)》這門課程，接觸過(guò)一個(gè)名叫“Buck電路”的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。

圖1 Buck主電路拓?fù)?/p>

這是一個(gè)輸入輸出均為直流(DC-DC)的電路變換結(jié)構(gòu)，一般輸入電壓高于輸出電壓，因此稱其為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換電路，即Buck電路。它的組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)MOSFET、一個(gè)功率電感、一個(gè)二極管以及輸入輸出組成。其中MOSFET的主要作用是控制輸入到輸出的通斷從而切換電路的工作模態(tài)，電感則主要是在不同的工作模態(tài)下分別起到儲(chǔ)存能量和釋放能量的作用，二極管主要是以續(xù)流為主。此外，我們發(fā)現(xiàn)輸入和輸出端還各有一個(gè)電容。輸入電容的主要作用是抑制紋波電流和穩(wěn)定輸入電壓，buck轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生較高的脈沖紋波電壓(di/dt)，如果沒(méi)有輸入電容，該紋波將會(huì)直接傳導(dǎo)到電源輸入端。輸出電容的主要作用由兩個(gè)：一個(gè)是濾波，較小輸出紋波；二是儲(chǔ)能穩(wěn)定輸出端電壓，尤其是重載的時(shí)候如果缺少輸出電容，環(huán)路會(huì)由于無(wú)法提供足夠的電流失鎖，導(dǎo)致輸出電壓為0。

簡(jiǎn)單介紹下Buck電路的工作原理：主要是通過(guò)控制MOSFET的通斷來(lái)控制電路的工作模態(tài)的持續(xù)以及周期性切換從而達(dá)到穩(wěn)定降壓輸出的目的。下面分模態(tài)簡(jiǎn)要分析：

圖2 Buck電路不同工作模態(tài)下的回路示意

當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電路工作在模態(tài)1。電路中的二極管承受反壓處于截止?fàn)顟B(tài)，輸入端通過(guò)電感和輸出端組成回路，見(jiàn)圖2中的藍(lán)色回路線條。此時(shí)輸入端同時(shí)給電感充電和給負(fù)載供電。電感電流接近線性增加，從而是一個(gè)儲(chǔ)存能量的過(guò)程。

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電路工作在模態(tài)2。此時(shí)輸入供電回路被切斷，電感開(kāi)始作為電源釋放能量，此時(shí)二極管可作為電感放電回路的續(xù)流通道，見(jiàn)圖2中的紅色回路線條。電感電流接近線性減小，是一個(gè)釋放能量的過(guò)程。

在電路參數(shù)合理的情況下，按照一定頻率周期性開(kāi)通和關(guān)斷MOSFET，便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的降壓輸出。這里開(kāi)通時(shí)間和開(kāi)關(guān)周期的比值稱為占空比D，開(kāi)關(guān)周期的倒數(shù)稱為開(kāi)關(guān)頻率f，D和f主要影響的是輸出電壓的大小以及輸出紋波大小和效率等等。

提到效率，這里需要介紹Buck電路的另外一副“面孔”，如圖3所示，我們右邊的電路相對(duì)于左邊有一個(gè)明顯的區(qū)域，那就是把續(xù)流二極管換成了MOSFET。事實(shí)上，這兩種電路都是非常常見(jiàn)的Buck電路結(jié)構(gòu)，左邊一般稱為“異步Buck",而右邊稱為”同步Buck"。

圖3 異步Buck與同步Buck

對(duì)于一開(kāi)始介紹到的異步Buck,簡(jiǎn)單分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MOSFET-Q1關(guān)斷時(shí)，電感放電電流會(huì)流經(jīng)二極管，由于二極管一般會(huì)有一定的導(dǎo)通壓降，會(huì)導(dǎo)致有部分能量會(huì)消耗在二極管中從而拉低電路的能量轉(zhuǎn)移效率。如果把這里的二極管換成可控的MOSFET，不僅可以靈活的自主控制通斷，也由于MOSFET的導(dǎo)通電阻比較小可以將原來(lái)消耗在二極管的能量大大較少，從而可以提高效率。

這里以同步Buck為例可以從電路原理的角度簡(jiǎn)要分析一下Buck工作時(shí)滿足的物理和數(shù)量關(guān)系。

圖4 同步Buck工作于模態(tài)1時(shí)的公式推導(dǎo)

圖5 同步Buck工作于模態(tài)2時(shí)的公式推導(dǎo)

周期性穩(wěn)定工作的電感是滿足伏秒特性原則的，即一個(gè)周期內(nèi)的電感電流總的變化量為0，或者可以理解為其上升階段的電流變化量和下降階段的電流變化量相等。因此可以得到輸出電壓與輸入電壓以及占空比之間滿足的定量關(guān)系，即Vout=D*Vin。

以上是關(guān)于Buck電路的拓?fù)浣榻B以及工作過(guò)程的淺要分析。

審核編輯：湯梓紅