基于同步整流技术的Buck变换器研究

刘东立，张逸凡，李欣桐，刘华宇

（ 黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027 ）

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[1]。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[2]。

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[3]。

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[4]。

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 存在问题

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。

2）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。

2 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。

3 实验测试

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3A/6V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。

表1 采用同步整流技术前后Buck电路参数对比

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。

4 结语

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。