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                 第一节 基于同步整流技术的Buck开关电源设计方法

                                                             典型的Buck电路

                                                          同步整流的Buck电路

第一节 目录

基于同步整流技术的Buck开关电源设计方法

 摘要

 0 引言

 1 原理分析

 3 实验测试与仿真

4 总结

 摘要

B u c k 变换器作为一种基本的开关电源变换器，在电力变换场合具有广泛的应用。 为解决 B u c k 变换器工作在电感电流连续状态下，续流二极管关断时存在较大的反向电流过冲问题，采用了同步整流技术。用M OS管代替续流二极管，通过控制电路输出 180 °互补的 PWM 波来驱动开关 MOS 管和续流 MOS 管，消除了续流结束时的反向尖峰电流，提高 Buck 变换器的效率，减小开关 MOS 管的电应力，降低整个设备的电磁干扰，提高变换器运行可行性。 分析带有同步整流技术的 B uc k 变换器工作原理，对其进行电路仿真，仿真结果验证整个变换器具有可行性与实用性。

关键词 ：Buck ；续流二极管 ；尖峰电流 ；同步整流

 0 引言

Buck 变换器是一种基本的开关电源变换器，由于其结构简单、性能优良、体积小等特点在中小功率场合得到了广泛的应用。Buck 变换器的续流二极管在开关 MOS 管关断时进行续流，而续流二极管的损耗在一定程度上影响了Buck变换器的效率。在电感电流连续的情况下，续流二极管的关断电流尖峰使滤波器和开关管的电应力增大，从而增大了变换器的体积和经济成本。分析 Buck变换器的工作原理， 寻求新的续流方法，在优化 Buck变换器的结构， 降低经济成本方面起着重大作用。

 1 原理分析

Buck 变换器结构简单，主电路由开关 MOS 管、续流二极管和 LC 低通滤波器组成，其电路结构原理如图 1 所示。开关 MOS 管由 PWM 驱动，当开关 MOS 管导通时，续流二极管 D 截止，当开关 MOS 管截止时，续流二极管续流导通。

1. 1 基本工作原理

假设电路中所有开关元件为理想元器件， 输出滤波电容 C2 足够大，滤波电感 L 感值足够大，以电感电流连续为例进行分析，各主要元器件电压和电流波形如图 2 所示 。

在 0-ton 时间段内，开关 MOS 管导通，续 流二极管截止，流过开关 MOS 管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由开关 MOS 管的波动决定，变换器的损耗主要组成成分为开关 MOS 管的开关损耗 [5]。电感两端承受电压为 Vin-Vo，电感电流线性增加。

 在 ton-T 时间段内，开关 MOS 管截止，续流二极管导通，流过续流二极管的电流即为电感电流。滤波电感的电流波动主要由续流二极管的波动决定，变换器的损耗主要组成成分为续流二极管的开关损耗 [5]。电感两端承受电压为反向的Vo，电感电流线性减小。

 如上可知，电感电流纹波主要由开关 MOS 管的波动和续流二极管的波动引起，整个变换器的主要损耗为开关 MOS 管的损耗和续流二 极管的损耗。由于开关 MOS 管一般内阻较小，远小于续流二极管的损耗，因此需要对续流二极管续流过程中存在的问题进行探讨和改善。

1.2 设计过程中的问题

对续流二极管的关断过程进行分析，其在关断过程中存在着电流反向的过程，关段过程中的电压电流如图 3 所示。 图 3 中，IF 为流过二极管的电流，UF 为二极管两端电压，UR 为加在二极管两端的反向电 压。由图 3 可知，二极管关断过程中电流在 t1 时刻先反向，随之电压在 t3 时刻反向，且电流 在 t4 时刻有较大反向电流，在最后时刻才谐振至零。

 根据续流二极管的动态特性和 Buck 变换器的工作原理，存在以下问题 ：

1）由图 3 中的动态过程可知，二极管关断过程中存在电压和电流同时不为零的情况，加上续流二极管导通时的损耗，整个二极管在续 流过程中存在着较大损耗，影响 Buck 变换器

 的效率。

1. 电感电流连续时，续流二极管存在较大反向电流过冲，此电流过冲由开关 MOS 管提供， 因此开关 MOS 管需要瞬间提供一个较大的尖峰电流。尖峰电流在增大了开关 MOS 管的电 应力同时，也易使开关 MOS 管损坏。

3）尖峰电流较大，维持时间较短，较大的di dt ，将会对周围的原件产生电磁干扰，增大设备噪声，降低 Buck 变换器可靠性。

 同步整流技术为提高 Buck 变换器的效率，减小开关管的电应力，减少滤波器的体积，优化 Buck 变 换器的性能，需要对续流部分进行优化。由于 开关 MOS 管的损耗较小，因此采用同步整流 技术，用另一路开关 MOS 管代替续流二极管 进行续流，电路原理如图 4 所示。

 采用 SG3525 为控制芯片，输出两路相位差为 180 °互补的 PWM 波，经过以 IR2110 为核心的自举电路后，分别驱动开关 MOS 管 Q1 和续流 MOS 管 Q2。两路互补的 PWM 波如图 5 所示。

 在 0-ton 时间段内，驱动 PWM 波控制开关 MOS 管导通，续流 MOS 管截止，流过开关 MOS 管的电流即为电感电流。在 ton-T 时间段内，驱动 PWM 波控制开关 MOS 管截止，续流 MOS管导通，流过续流 MOS 管的电流即为电感电流。运用 MOS 管代替了二极管续流， 具有以下方面的优势 ：

1. MOS 管特性稳定，相对于二极管而言 内阻较小，在工作过程中开关损耗比二极管更 小，减小了变换器的损耗，对 Buck 变换器效 率的提高具有重大意义。
2. MOS 管在关断过程中不需要电流，在 电感电流连续时，用 MOS 管代替续流二极管 避免了续流结束时存在着较大反向电流过冲， 减小电流的突变程度，抑制电磁干扰，确保设 备工作可靠性。
3. 抑制尖峰电流产生，降低开关 MOS 管 的电应力，同时减小滤波电感纹波，对优化变换器体积与器件的选型上具有较大作用，降低变换器成本。

 2 实验测试与仿真

Buck 变换器工作于电感电流连续状态时， 在续流二极管关断瞬间存在着较大的反向电流 尖峰，导致 MOS 管电流在开通瞬间也存在较 大尖峰。以额定值为 3 A/6 V 对 Buck 电路进行实验，仿真结果如图 6 所示，尖峰电流对电 路元器件存在较大影响。

 为解决续流二极管关断过程产生的反向尖峰电流问题，采用了同步整流技术，对电路进 行了试验，MOS 管波形如图 7 所示。通过实验 检测，采用同步整流技术后 MOS 管开通过程中的尖峰电流消失，开关器件动态性能良好。

 采用同步整流技术前后，对电路进行开关 MOS 管和续流二极管的纹波电流参数对比，同 时对整个电路的半载效率进行了对比，对比结果见表 1。

  由表 1 结果可知，采用同步整流技术后， 续流尖峰电流值减小，开关 MOS 管电流最大值减小，Buck 变换器的整体效率得到大幅提升。 采用同步整流技术后，Buck 变换器的性能得到 较大改善。

3 总结

为解决 Buck 变换器工作于电感电流连续 状态下，存在的续流二极管关断时产生反向尖 峰电流的问题，采用了同步整流技术，利用 MOS 管代替了二极管进行续流。采用 SG3525 芯片作为控制芯片，通过以IR2110 芯片为核 心的自举电路，对开关 MOS 管和续流 MOS 进行驱动。通过电路原理分析和电路仿真，结果显示带有同步整流技术的 Buck 变换器具有变换效率高、工作过程中电磁干扰小、开关 MOS管电应力小等优点，在实际应用中具有一定的可靠性和推广性。

  第二节 同步整流Buck-Boost电路设计的控制方法和仿真

2.1 采用同步整流设计Buck-Boost电路的原因

       Buck- Boost 电路采用同步整流的方式主要基于以下几个原因：

1. 提高整流效率：同步整流技术使用通态电阻极低的专用功率MOSFET来取代传统的整流二极管。由于功率MOSFET具有较低的导通压降，因此可以显著减小在整流过程中的能量损失。相比之下，传统的二极管整流器在导通时会引起较大的正向压降，导致能量损失和效率下降。通过采用同步整流技术，Buck电路能够实现更高的整流效率。

2. 降低电磁干扰（EMI）：同步整流器的MOSFET或IGBT与主开关管同步工作，这样可以避免传统二极管在反向恢复时间产生的电流谐波和电磁干扰。降低EMI对于确保电路的稳定性和可靠性至关重要，特别是在对电磁兼容性要求较高的应用场景中。

3. 简化电路设计：使用同步整流技术可以简化电路的设计和布局。由于同步整流器的MOSFET或IGBT通常与主开关管集成在一起，这减少了元器件的数量和外部连接，从而降低了电路的复杂性和成本。此外，这种集成设计还有助于提高系统的可靠性和稳定性。

4. 实现自动开关和保护功能：使用了可控器件，使同步整流器可以通过控制电路来实现自动开关和保护功能。这意味着在异常情况下，如过流、过压或过热等，同步整流器可以迅速响应并保护电路免受损坏。这种保护功能增强了电路的安全性，并延长了设备的使用寿命。

     Buck-Boost电路采用同步整流方式的原因主要包括提高整流效率、降低电磁干扰、简化电路设计和实现自动开关及保护功能。这些优势使得同步整流技术在开关电源、电机驱动等领域得到了广泛应用。

2.2 同步整流电路的仿真模型搭建

  采用Psim 2022中文版本进行软件程序搭建。

  第一步 放置元器件：电容，电阻，IGBT，电压采用传感器、电流采样传感器，端口号等。

  第二步 连线：分别连接主电路及预充电电路的连接线。

  第三步：设置元器件的仿真参数。

 第四步：放置仿真控制：设置好仿真时间和步长。

第五步：搭建驱动电路。

第六步：先设置占空比进行开环仿真 ，并查看仿真波形。

2.3 IGBT并联型同步整流Buck-Boost电路设计

2.3.1 设计需求

以现在使用比较广泛的新能源充电电源为例：

输入电池端电压750V~1050V，

直流输出端电压1200V，

直流输出功率125Kw；

纹波电压  ≤ 3 %；

2.3.2 参数分析

输出端电流： Io = 125000/1200 = 104 A

输出端负载： R = 1200 /104 = 11.5 Ω

IGBT使用英飞凌或者中车的：1700V或者3300V的IGBT 电流450A 

2.3.3 电路仿真设计

主电路仿真图：采用两路并联的Buck-Boost拓扑设计

驱动电路仿真图

先进行开环设计，确认是否能够输出对应的电压和功率。

母线电压1200V

母线电流104A，输出功率大概125Kw。

2.3.4 电路中的电压纹波分析

电压纹波实际小于25V,  25/1200 = 2.083% 小于3%,由此表明电容，电感及开关频率设计符合要求。

2.3.4 电路中的电流纹波分析

电流纹波小于3A,实际 = 3 / 104.16 = 2.88 %

总结：上面讲述了同步整流Buck-Boost电路设计中的Boost电路设计和仿真方法，后续还会解释Buck电路的工作模式，敬请期待。如有疑问，请加我微信！