发布时间 : 星期日 文章[毕业设计]基于Buck结构的DCDC转换器建模与仿真更新完毕开始阅读ab8772cfee06eff9aff8073c
武汉理工大学毕业设计（论文）
2 Buck斩波电路的原理
降压式（Buck）变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器[6]。图2-1给出了它的电路图。Buck变换器的主要电路由开关管T，二极管D，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成。这种电路，电源是电压源性质、负载为电流源性质。电路完成把直流电压Us转换为较低的直流电压Uo的功能。
图2-1 Buck变换器
Buck变换器的两个工作工况如图2-2和图2-3所示[6]。为了分析稳定特性，简化推到公式的过程，特作如下假定：
①开关管、二极管是理想元件，即可以再瞬间导通或截止，没有导通压降（导
通时电阻为0），截止时没有漏电流。
②电感、电阻是理想元件。电感工作在线性区而未饱和寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。
③输出电压中的纹波电压与输出电压的比值很少，可以忽略。 定义开关导通时间ton与开关周期Ts的比值为占空比，用Dc表示[1]。
Dc?tonTs (2-1)
图2-2 电感电流连续时主开关管导通工作状态
7
武汉理工大学毕业设计（论文）
图2-3 电感电流连续时二极管续流工作状态
根据电流是否连续，Buck变换器有三种工作模式——连续导电模式，不连续导电模式和临界状态[1]。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作方式之间有一个工作边界，称为电感电流临界连续状态，即在开关管关断末期，滤波电感的电流刚好将为零。他们工作波形有较大的差异，图2-4是前两种工作 的波形图[6]。
2.1 Buck变换器的连续导电模式
当开关管T导通时，如图2-4（a）所示，续流二极管因反向偏置而截至，电容开始充电，直流电压源Us通过电感L向负载传递能量。此时，电感电流iL线性增加，储存的磁场能量也逐渐增加[6]。负载R流过电流Io，两端输出电压Uo上正下负。在一个开关周期Ts内开关管T导通的时间为ton。
当T关断时，如图2-4（b）所示，由于电感电流iL不能突变，故iL通过二极管D续流，电感电流之间减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL降低，L上的储能减小[6]。电感电流减小时，电感两端的电压UL改变极性，二极管承受正向偏压而导通，构成连续通路，负载R端电压Uo仍然是上正下负。当iL 在稳定分析中假定输出端滤波电容很大，输出电压可以认为是平直的[6]。同样，由于稳态时电容的平均电流为零，因为Buck变换器中电感平均电流等于平均输出电流Io。在连续导电模式下，电感电流不会减小到零，前一个周期结束时刻和下一个周期开始开始时刻电流是连续的[4]。 8 武汉理工大学毕业设计（论文） 图2-4 Buck变换器工作波形 （a）Buck电路连续工作模式；（b）Buck电路不连续工作模式 下面分析稳态工作的情况，得出输入输出之间的关系。工作波形如图2-4（a）所示[6]。 主开关导通时，Buck变换器工作在图2-2的状态。电源电压通过T加到二极管D两端，二极管D反向截止，电流流过电感，稳态时输入输出电压保持不变，则电感两端电压极性为左正、右负，忽略管压降有uＬ=Us-Uo。由于储能电感的时间常数远大于开关周期，因而在该电压作用下输出滤波电感中电流iL可近似认为线性增长，直到t1时刻，iL达到最大值iLmax[6]。电感电流线性上升的增量为： 9 武汉理工大学毕业设计（论文） ?iL???0t1Us?U0U?U0U?U0dt?st1?sDcTs (2-2) LLL当主开关管截止时，Buck变换器工作在图的状态。电感两端的电压极性为左负、右正，二极管导通续流，忽略管压降有uＬ=Uo，同样可以认为电感中电流iL可以近似认为是线性下降，下降的量的绝对值为[6]： ?iL???t1t2U0UUdt?0(t1?t2)?0(1?Dc)Ts (2-3） LLL当电路工作在稳态时，电感电流iＬ波形必然周期性重复，开关管T导通期间电感中的电流增加量等于其截止时电感中电流的减少量，即[6] ?iL???iL? (2-4) 联合式（2-2）—式（2-4）可得[6]： U0?DcUs (2-5) 由式（2-5）可知，改变输出电压的办法既可以调整输入电压，也可以改变占空比。在输入电压一定的情况下，改变占空比则可控制输出平均电压。输出平均电压Uo总是少于输入电压Us。连续导电模式下Buck变换器的电压增益M[6]为 M?U0?Dc （2-6） Us2.2 Buck变换器电感电流不连续的导电模式 当电感较少、负载电阻较大，则负载电路的时间常数小，或当开关周期Ts较大时，将出现电感电流已下降到0，但新的周期却尚未开始的情况；在新的周期里，电感电流从零开始线性增加，工作状态如图2-5所示，波形如图2-4（b）所示[3]。此时一个周期Ts内有三种状态，在图2-4（b）中这三种状态分为3个部分，Dc1Ts、Dc2Ts、Dc3Ts[6]。 开关导通时，Dc1Ts时间从0到t1，电感电流增加量为： ?iL???0't1Us?U0Us?U0Us?U0dt?t1?Dc1Ts (2-7) LLLU0UU dt?0(t1?t2)?0Dc1Ts （2-8） LLL开关截止时，Dc2Ts时间电感电流减小量为： ?i'L???t1t210