一種雙路Buck 變換器研究

閃靜潔，孫照陽

（安徽城市管理職業學院 軌道交通學院，安徽合肥，230012）

0 引言

單路Buck 變換器電路簡單、效率高、動態特性好，在產品中得到廣泛應用，但輸出紋波偏大的缺點限制了其在特定場合的應用。為此，急需解決單路Buck 變換器的輸出紋波問題。單路Buck 變換器在進行大電流輸出時，開關管應力較大，系統效率和散熱效果不佳等問題都較為明顯[1~3]。因此，在低電壓大電流場合一般不會采用單路Buck 變換器。

解決單路Buck 變換器輸出紋波大的問題，通常采用增加Buck 變換器輸出濾波電路的方案[4~5]，但這種方案增加了Buck 變換器的成本和體積，降低了動態響應速度和效率[6~7]。而雙路Buck 變換器，在不增加每路開關頻率的基礎上，通過雙路Buck 變換器級聯提高系統輸出紋波頻率，減小輸出紋波。同時通過雙路開關管輪換導通傳遞能量，提高變換器的功率密度、散熱能力和動態響應能力。另外，通過采用碳化硅功率管，可以有效提高系統的效率及性能，對改善電源可靠性具有重要意義。

本文設計的雙路Buck 變換器級聯結構與通常所說的交措控制Buck 變換器不同，它是基于雙路Buck 變換器級聯后的輪換控制，其電路實現更簡單、元器件更少、控制也更方便。

1 雙路Buck 級聯電路的工作原理

在介紹雙路Buck 變換器之前，先了解下多路Buck 變換器。多路Buck 變換器是單路Buck 變換器級聯運行方式的一種。多路Buck 變換器是指多路開關管級聯且開關頻率相同，多路開關管的導通時刻依次相差一定的開關周期。多路Buck 變換器不同于交錯級聯Buck 變換器[8]，這類Buck 變換器雖然也由開關管、續流二極管、濾波電感、濾波電容等組成，但其續流二極管和濾波電感是公用的，這種工作方式可以在紋波要求高、散熱效果不佳的電源領域發展應用。

雙路Buck 變換器是多路Buck 變換器中最典型的變換器。雙路Buck 變換器的兩個開關管的D、S 端對應連接，通過控制G、S 之間的驅動信號實現輪換導通，從而使得驅動頻率相同、相位近似互補，在雙路開關頻率不變的前提下，將輸出紋波頻率提高到每路開關的兩倍，進而降低輸出紋波，同時通過分散開關管的排布改善散熱效果。

綜上可知，雙路Buck 變換器相對于單路Buck 電路而言，具備絕明顯優勢。它對濾波感性、容性元件和磁性元件的要求明顯降低，從而使設計出的濾波網絡體積更小、整機功率密度更高。其中，雙路Buck 變換器原理示意圖如圖1所示。

圖1 雙路Buck 變換器原理示意圖

其中，Q1 和Q2 是雙路級聯的開關管，在電路工作過程中，開關管Q1和Q2的驅動信號按圖2所示時序進行變化。即在Q1 和Q2 的D、S 端對應連接的前提下，Q1 和Q2 各自的G、S 之間的驅動信號輪換導通，使得驅動頻率相同、相位近似互補。

圖2 Q1 和Q2 驅動波形示意圖

2 雙路Buck 變換器設計

下面通過以一種雙路Buck 變換器設計過程為例，說明雙路Buck 變換器的設計方法。該雙路Buck 變換器的設計參數為：輸入電壓520V(420V~620V)，輸出電壓400V，輸出功率3kW，每路開關頻率30kHz，紋波系數0.2。

■2.1 主電路設計

該變換器的主要特點是效率高、紋波小、濾波電路體積小。主電路采用雙路單管級聯為基本拓撲，并采用碳化硅開關管。設計內容主要包括主電路、控制單元、驅動電路和閉環調節電路。針對雙路Buck 變換器，為了保證兩路開關管支路之間電流一致性，在主電路設計時，盡可能使雙路的布局基本相同，開關管用同一批次產品，并通過對雙路進行整體的閉環調試，測試紋波等相關指標。雙路Buck 變換器主電路原理圖如圖3 所示。

圖3 主電路原理圖

其中，C2、C3、C7、C9、C5 為輸入濾波電容，用于實現對直流輸入的削峰填谷，提高直流輸入電能質量；R3和R7 為輸入死負載電阻，主要用于實現輸入濾波電容的放電和穩定直流輸入；Q1 和Q2 為開關管，用于實現輸入輸出能量變換；C1 和R1 為開關管Q1 和Q2 的RC 濾波電路，用于吸收開關管Q1 和Q2 開關過程中的電壓尖峰，保證開關管Q1 和Q2 的使用安全；R2 和R6 為開關管G、S 端的放電電阻，用于開關管G、S 寄生電容放電，提高開關管的關斷速度；R8為輸出電流采樣電阻，用于實現輸出電流采樣；L1 為濾波電感、C6 和C8 為濾波電容，L1、C6 和C8 構成LC 濾波電路，實現對直流輸出的濾波處理，提高直流輸出電能質量；V1 為續流二極管，實現開關管關斷過程中電路能量的有效續流，保證輸出電流的連續性。

雙路Buck 變換器的主電路設計重點為開關管的選型及輸出濾波電路參數設計。其中，開關管的選型需要考慮開關管的電壓電流應力、開關頻率、導通阻抗、熱阻等內容，選型過程相對簡單。下面重點說明輸出濾波電路參數設計，該部分為主電路設計的要點。

為保證雙路Buck 變換器高效可靠工作，將從CCM 模式和臨界模式兩個方面入手，保證濾波電感和濾波電容的設計滿足要求。

（1）濾波電感設計

當Buck 變換器工作在CCM 模式時，雙路Buck 變換器的電感電流為輸出電流7.5A，輸入電壓最高時，Buck 變換器的工作狀態最惡劣，此時濾波電感可由(1)得到。

當Buck 變換器工作在臨界模式時，此時濾波電感可由(2)得到。

電感感量設計值不小于1.577mH。

（2）濾波電容設計

根據雙路Buck 變換器特點，為滿足紋波要求，濾波電容需滿足(3)。

電容值與上述兩種模式電感的對應關系如表1 所示。可以得到電感處于0.315mH~1.577mH 范圍是，Co ≥3.556μF 即可滿足紋波電壓低于8V（既0.2×400）的要求。

表1 電容與電感關系對照表

故濾波電感的感量設計值不小于1.577mH，濾波電容的容量設計值不小于3.556μF，濾波電感和濾波電容的具體數值可結合產品電氣性能要求和結構特征要求進行詳細設計[9~10]，此處不再贅述。

■2.2 控制單元設計

控制單元是雙路Buck 變換器的控制核心，其設計選型將直接影響雙路Buck 變換器的響應速度、可靠性、控制精度和設計成本[5]。為此，在市場主流控制芯片中遴選最合適的控制芯片，保證雙路Buck 變換器的控制效果。雙路Buck 變換器控制單元采用控制芯片SG3525，并輔助其他相關元器件實現。其中，SG3525 作為一款集成PWM 控制芯片，它的性能優良、功能齊全，在很多領域中有著廣泛的應用，而且設計簡單，性能可靠，使用方便，同時能限制最大占空比。控制單元原理圖如圖4 所示。

圖4 控制單元原理圖

■2.3 驅動電路設計

由于雙路Buck 變換器需要雙路相差180 度的驅動信號，雙路輪換控制采用SG3525 芯片來輸出 PWM 波，然后再通過功率放大電路，實現開關管的輪換控制。而為了保證雙路Buck 變換器開關管的正常通斷，驅動電路的驅動能力和驅動效果是驅動電路設計需要著重考慮的內容。所以本產品優選圖騰柱驅動電路，并根據本產品特點對圖騰柱電路進行優化設計，在保證開關管驅動能力和驅動效果的同時，實現驅動信號與控制單元之間的電氣隔離，解決Buck 電路“浮地”驅動控制問題。驅動電路原理圖如圖5 所示。

圖5 驅動電路原理圖

■2.4 調節電路設計

閉環調節電路是實現雙路Buck 變換器開關管穩壓輸出和最大電流保護的重要組成部分，同時也是提高變換器動態響應速度和控制精度的核心。為此，將根據雙路Buck 變換器的應用環境，采用電壓閉環控制及最大電流保護模式。其中，電壓環路用于實現輸出穩壓，最大電流保護用于實現最大電流限制，并通過電壓環路對調節信號的鉗位，實現電壓環路優先控制。調節電路原理圖如圖6 所示。

圖6 調節電路原理圖

3 應用試驗

根據雙路Buck 變換器的設計參數要求，在上述設計過程的基礎上，結合電路設計要點和工程實際需要，制作了雙路Buck 變換器的原理樣機，并在保證相同輸入電壓、相同的開關頻率和相同的輸出電流條件下，分別進行測試，測試結果如圖7所示。其中，圖7(a)為單路Buck變換器實驗波形，圖7(b)為采用雙路Buck 變換器實驗波形。對比圖7(a)和圖7(b)可知，在相同的輸入輸出條件下，采用雙路的Buck變換器的輸出紋波比單路Buck 變換器輸出紋波小。

圖7 輸出紋波實驗波形

4 結語

綜上所述，雙路Buck 變換器利用了級聯倍頻原理，能夠有效降低輸出紋波。通過均衡化扁平化的能量平均分布設計，使電路的熱分布更好，改善了功率器件的散熱效果，進而提高能量變換效率和電路的可靠性。同時，在電路等效開關頻率提高的情況下，雙路Buck 變換器可以使用更小的濾波電感和濾波電容，降低了輸出濾波電路的體積，并有效提高產品的動態響應能力，降低成本，具有較高的應用價值。

在上述雙路的Buck 變換器研究的基礎上，通過將多個開關管級聯，并采用相似的輪換控制的方式，可以將雙路級聯輪換控制升級為多路級聯輪換控制，進一步改善直流輸出電能的質量，實現“零紋波”。但多路Buck 變換器和交錯并聯Buck 變換器的缺點類似，如每個開關管的占空比調節范圍受限，使開關管的利用率偏低，限制了Buck 變換器級聯數量的進一步增加。故如何實現Buck 變換器級聯數量和輸出紋波、散熱效果及材料成本之間關系平衡，將是本課題下一步研究的重點。