二次型CCM Buck变换器的电流应力及效率分析

冯金芝，李增辉

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



二次型CCM Buck变换器的电流应力及效率分析

冯金芝，李增辉

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

二次型DC-DC变换器拓宽了变换器输入到输出电压的传输比，提高了高传输比场合下的传输效率，与传统变压器相比因为储能元件的增加电路功耗也会增大。为具体分析其工作过程中的功耗，文中考虑了储能元件的内阻等因素，通过计算各元器件电流应力推导出功耗，并研究了变换器工作效率及各个工作参数之间的关系，并通过仿真验证了理论分析的正确性。

二次型Buck变换器；稳态特性；电流应力；效率分析

随着电动汽车以及太阳能新兴产业的发展[3]，对于变换器的电压传输比也提出了更高的要求。传统的直流变换器因其变压比过低会在大传输比场合效率较差，文献[4]提出了二次型直流变换器，并讨论了各种拓扑结构的可能性。二次型变换器技术的成熟必然会带来更广泛的应用，两级变换级联意味着更多储能元件的充放电以及半导体开关器件闭合导通势必带来比传统直流变换器更多的功耗。

文献[2]具体分析了二次型CCM Buck的3种工作模态，以及3种模态的工作原理，建立了平均状态空间等效模型，研究了其稳态特性及各参数之间的关系。而本文将详细分析稳态电压传输比，具体讨论各参数和电压传输比的关系，进一步通过计算电路各元件的功耗研究其工作效率和电路参数之间的关系。最后通过仿真和实验验证理论的正确性。

1　二次型CCM Buck变换器

二次型CCM Buck变换器电路拓扑如图1所示。为便于分析，本文假设：(1)变换器的开关频率为f，开关周期为TS，开关管的导通占空比为D，变换器开关频率远大于各器件特征频率；(2)所有被动器件均保持线性工作，元件特性不随时间和温度变化；(3)变换器工作在连续导电模式。

图1　二次型Buck变换器电路拓扑结构

二次型CCM Buck变换器的工作根据二极管D2是否与开关管T同步分为3种工作模态，非同步的两种模态因为工作过程复杂，且在开关管T导通阶段电感电流非线性工作，工作状态不稳定[4]。因此，本文选取二极管D2与开关管T同步的工作模态作为研究对象，开关管导通时间为DTS，电感放电时间为(1-D)TS。在此模态下二次型Buck变换器在一个开关周期内有两个稳态阶段，如图2所示。

图2　二次型CCM Buck电路在同步模态下两个稳态工作阶段

(1)工作阶段1(0 ≤t≤DTS)。如图2(a)所示，开关管T导通，输入电压源VIN和电容C1给负载供电，二极管D1导通，D2和D3承受反向电压关断，电感电流iL1和iL2线性上升；

(2)工作阶段2(DTS≤t≤TS)。如图2(b)所示，开关管T关断，二极管D2关断，二极管D1和D3分别导通，给电感L1和L2提供续流通路，电感电流iL1和iL2线性下降。

2　电流应力及效率分析

2.1变换器电流应力及损耗分析

二次型CCM Buck变换器的工作过程中会发生周期的能量转换，这其中开关管和二极管的开闭会引起电流应力导致导通损耗和开关损耗[7]。本文主要分析导通损耗，需要考虑的主要电流应力是：(1)Irms,电流有效值，决定电感电容及开关管的导通损耗；(2)Iavg,电流均值，决定二极管的导通损耗。实际电路中半导体器件总会存在因其制造工艺而存在的损耗，比如电感的等效串联电阻等，因此考虑了半导体器件导通压降以及内阻的非理想电路结构如图3所示。

(1)第一级Buck拓扑：此处损耗仅考虑电感绕线电阻，经过电阻L1的电流为[5]

iL1=DiL2=DI0

(1)

所以电感L1电流均方根值为

IL1rms=DI0

(2)

L1等效串联电阻rL1产生的导通损耗

(3)

经过二极管D1的电流为

(4)

所以二极管电流均方根值为

(5)

可得D1正向导通电阻的损耗为

(6)

经过二极管D1的平均电流为

(7)

图3　非理想变换器电路拓扑结构

所以由二极管正向导通压降产生的损耗为

(8)

所以二极管D1产生总损耗为

PD1=PVD1+PRD1=

(9)

类似方法计算二极管D2的损耗，流经二极管D2电流为

(10)

二极管D2电流的均方根值和均值为

(11)

ID2avg=D(1-D)I0

(12)

二极管D2产生总损耗为

PD2=PVD2+PRD2=

(13)

流经电容C1电流为

(14)

电容C1的等效串联电阻损耗为

(15)

所以第一级拓扑的总损耗为

PLS1=PrC1+PrL1+pD1+PD2=

(16)

(2)第二级Buck拓扑：二级拓扑的分析方法和传统Buck变换器分析方法类似[5]。

此处流经开关管T的电流为

(17)

开关管电流均方根值为

(18)

所以开关管导通损耗为

(19)

开关管在开关过程中电感总会努力创造合适条件迫使电流连续流动，因而不可避免的会存在V-I交叠，产生开关损耗，且此处电压为VC1=DVD1，交叠区域大小由开关管输出电容决定，并假设开关管输出电容Coss为线性元件，即容值不随工况而改变。所以开关损耗为

(20)

所以开关管损耗为

(21)

流经二极管D3的电流为

(22)

二极管D3 电流的均方根值和均值为

(23)

ID3rms=DI0

(24)

二极管D3的总损耗为

(25)

而由式(1)可知

IL2rms=I0

(26)

L2等效串联电阻rL2产生的导通损耗

(27)

流过电感L2电流纹波幅值为[5]

(28)

所以滤波电容C2的损耗为[5]

(29)

将式(28)带入式(29)可得C2的损耗为

(30)

所以第二级拓扑的总损耗为

PLS2=PrC2+PrL2+PD3+PFET

(31)

二次型CCMBuck电路总损耗为

PLS=PLS1+PLS2

(32)

PLS1和PLS2分别为式(16)和式(31)。

2.2变换器效率及电压传递函数分析

二次型变换器的效率为输出功率和输入功率的比值

(33)

无损理想二次型Buck直流电压传输比为[5]

MIDC=D2

(34)

所以非理想变换器直流电压传输比为

MNDC=ηD2

(35)

η如式(33)所示。

可以看出，二次型Buck变换器工作在CCM状态时，其工作效率主要与占空比D和工作外负载R相关，选取合适的电路参数如表1所示。

表1　变换器部分电路参数

将表1数据代入式(33)可得工作效率分别与开关管占空比D和外负载电阻R的关系曲线如图4和图5所示。

图4　变换器效率与占空比D的关系图

图5　变换器效率与外负载R的关系图

由图4及图5可知，工作效率和占空比以及外负载是正相关。且占空比和外负载在较高值时候效率较高。

3　仿真分析验证

为验证变换器工作效率的分析结果，选取与理论分析一致的电路参数。基于表2所示电路参数，对二次型CCM Buck电路进行了仿真。

表2　二次型CCM Buck变换器主电路参数

可得工作效率与占空比D关系曲线如图6所示。由图6所示可看出，变换器的工作效率随着占空比D和外负载R的增大而增大，外负载约为25 Ω时工作效率达到最大。而随着占空比的增大变换器工作效率的增大越来越快，所以二次型Buck变换器更适合工作在高占空比，但考虑到具体电压传输比仍要选择相对适合的占空比来满足工况。

图6　变换器效率η与占空比D及外负载R的关系图

4　结束语

二次型变换器拓扑结构为宽电压传输比、高效及低成本应用提供一个行之有效的解决方案。相比传统变换器多了一个储能电感，导致电路会工作在不同模态，并会引起过多额外损耗，因此在满足传输要求的前提下要合理选择电路参数以避免不必要的损耗。本文重点计算了二次型CCM Buck变换器各元器件的电流应力以分析其工作损耗，研究了其工作效率与电路参数之间的关系，仿真结果验证了理论分析的正确性。

[1]卢志飞,杨平,刘雪山,等.单开关二次型DCM Buck变换器[J].电工技术学报,2011(S1):65-70.

[2]卢志飞.二次型开关DC-DC变换器研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[3]张晓峰,吕征宇.混合动力车用全数字电流控制型双向DC/DC变换器[J].电工技术学报,2009,24(8):84-89,105.

[4]Maksimovic D, Cuk S. Switching converters with wide DC conversion range[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1991(6):151-157.

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[6]Das N,Kazimierczuk M.Power losses and efficiency of buck PWM DC-DC power converter[C].Shanghai: Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo, 2005.

[7]Cheng D K W,Cheng C S,Chan J H K.Analysis of a laboratory switching power supply with wide output voltage range[C]. Beijing: Proceedings of the IEEE Industrial Electronic Control Instrumentation and Automation Conference,1992.

[8]Pacheco V M,Nascimento A J Do,Farias V J, et al .A quadratic buck converter with lossless commutation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2000(47):264-272.

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[10] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

Current Stress and Efficiency Analysis of the Quadratic Buck Converter in CCM

FENG Jinzhi，LI Zenghui

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

The quadratic converters realize the cascade of two converters to achieve wide voltage conversion ratios and higher efficiency, compared with the conventional converter, the power losses increase accompany with the amounts of the components. In this paper current stress and conduction loss for every component in the circuit will be derived considering internal resistances to analyze the detailed converter power losses. The work efficiency of the converter and relationship among circuit parameters will also be studied. Simulation results are presented to verify the theoretical analysis.

quadratic Buck converter; steady-state characteristic; current stress; efficiency analysis

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.015

2015-12-02

李增辉(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：汽车电子。

TM461

A

1007-7820(2016)08-051-04