【文章內(nèi)容簡介】 Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設(shè)計原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過，抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧波分量通過。但是，構(gòu)建一個能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中至少有一小部分是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波[16]。因此，可以表達(dá)為 （34） 輸出電壓波形所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量加少量的交流分量所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關(guān)諧波所產(chǎn)生。 由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開關(guān)紋波應(yīng)很小。所以，通?？梢约僭O(shè)開關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量，即 （35）因此，輸出電壓近似為直流分量，而忽略其小紋波成分，即 （36）上述近似稱為小紋波近似，或稱線性紋波近似，可大大簡化變換器波形的分析。 下面分析電感電流波形，進(jìn)而得出電感的計算公式。通過電感電壓波形的積分可以得到電感電流。開關(guān)在位置1時，電感在左側(cè)與輸入電壓相連，（a）。電感電壓為 （37）（a） （b） DC/DC原理圖如上所述，輸出電壓為其直流分量加小的交流紋波成分。采用小紋波近似，式（36）中的用其直流分量代替，得到 （38）開關(guān)在位置1時，電感電壓等于，（b）所示。電感電壓方程為 （39）在第一個子區(qū)間，由上式可以解得電感電流波形的斜率為 （310）由于開關(guān)在位置1時，電感電壓近似為常量，因此電感電流的變化率也近似為常數(shù)，電感電流線性上升。 當(dāng)在第二個子區(qū)間，開關(guān)處于位置2時，電感的左端與參考地相連，（b）所示。所以，在第二個子區(qū)間，電感電壓為 （311）采用小紋波近似式（36）得到 （312）所以，當(dāng)開關(guān)處于位置2時的電感電壓為常量，（b）所示。將式（312）代入式（39）中，得到電感電流的斜率為 （313）因此，在第二個子區(qū)間，電感電流的變化率為一負(fù)的常量。 現(xiàn)在，電感電流的波形如下圖所示，電感電流從初始值開始。在第一個子區(qū)間開關(guān)處于位置1時，電感電流以斜率上升。在時刻，（313）所給出的斜率下降。在時刻，開關(guān)轉(zhuǎn)回位置1，以下過程重復(fù)。 下面計算電感電流紋波。，電感電流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的紋波。此峰值電流不僅流過電感，而且流過半導(dǎo)體器件。當(dāng)確定這些器件的參數(shù)時，需要知道峰值電流。 電感電流 已知在第一個子區(qū)間中的電感電流流的斜率和第一個子區(qū)間的長度，可以計算其紋波幅值，的波形關(guān)于I對稱，因此在第一個子區(qū)間中的電流上升（是紋波峰值，因此紋波峰值為）。所以 的變化量=斜率子區(qū)間長度電感電流的紋波為 （314）的典型值是在滿載時的直流分量I的10%~20%。不希望太大，否則增大流過電感和半導(dǎo)體開關(guān)器件的電流峰值，從而將增加功率損耗和體積。 可以通過選擇合適的電感值來得到所希望的電流紋波。由式（314）得到 （315）通常式（315）被用來選擇Buck變換器的電感值。 把（316）式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到 （316）其中為Buck電路最大占空比，為開關(guān)管的開關(guān)頻率，為最大輸出電流，為輸入電壓。 電感值的計算 因?yàn)殚_關(guān)頻率對DCDC電路變換的效率影響非常大。如果太高，可以使充電電感和濾波電容體積減小，但是充電電感的渦流損耗，磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的影響加大造成的其他元件損耗加大。如果太低，充電電感，濾波電容的體積太大，在保證充電電感量的前提下，線圈匝數(shù)真多，銅損耗加大。綜合考慮各種因素，這里設(shè)計開關(guān)管的開關(guān)頻率，則根據(jù)實(shí)際設(shè)計，可以求得震蕩電阻為47K，震蕩電容為1000pF。 對于最大占空比，選擇（因?yàn)樨?fù)載可變，輸出電壓也是可變的，所以這里選取的最大占空比，使負(fù)載可變范圍加大），而最大輸出電流，，從而可以得到 濾波電容的計算 而關(guān)于濾波電容的選擇，電容需要濾掉主要的開關(guān)紋波，選擇電容C足夠大，以使開關(guān)頻率時的電容值阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗R，因此幾乎所有的電感電流紋波流經(jīng)電容，而流經(jīng)負(fù)載電阻阻抗R的紋波非常小，電容電流波形等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效的串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容的紋波電流要大于電路中的紋波電流。這里選取兩個470uf/16V的電容并聯(lián)，這樣就可以降低了等效的串聯(lián)電阻。對于Buck電路，通過對電路的理想工作狀態(tài)(器件均為理想 器件，開關(guān)管快速導(dǎo)通截止，導(dǎo)通時壓降為0，輸出電壓紋波忽略不計)進(jìn)行分析，可得出此電路中，晶體管上的峰值電壓即為輸入電壓Vs，峰值電流 （317）其中，在臨界狀態(tài)下，為開關(guān)管V的接通時間占空比， T為開關(guān)周期。通過這個電路可以看出，開關(guān)管是變換器電路中的關(guān)鍵器件之一，在開關(guān)電源的設(shè)計中，經(jīng)常使用的開關(guān)管是MOSFET和IGBT，小功率變換器上也延 續(xù)使用雙極型晶體管，下面重點(diǎn)對MOSFET和IGBT的參數(shù)特性進(jìn)行介紹。功率比較小的單管變換器的主開關(guān)通常采用 MOSFET，其優(yōu)點(diǎn)是電壓型控制，所需要的驅(qū)動功率低，低電壓器件中MOSFET的開關(guān)速度是最佳的。MOSFET主要有以下幾個參數(shù)：漏源擊穿電壓，這個電壓決定了器件的最低額定電壓；最大漏極電流，決定了管子的額定電流，主要決定于溝道寬度；閾值電壓，應(yīng)用中常將漏極上的負(fù)載短接條件下漏極電流等于1 mA時的柵極電壓定義為閾值電壓，這個值可以通過改動管子的制造工藝而調(diào)整，當(dāng)環(huán)境噪聲較低時，可以選用閾值電壓較低的管子以降低所需要的輸入驅(qū)動信號電壓，而環(huán)境噪聲較高時可選用閾值電壓較高的管子以提高抗干擾能力，閾值電壓一般在1．5 V～5 V之間并隨著結(jié)溫的升高略有下降；導(dǎo)通電阻，這是一個非常重要的參數(shù)，決定了輸出電壓和自身的損耗。導(dǎo)通電阻越小的器件，制作的開關(guān)電源效率越高；最高工作頻率，在漏源電壓的作用下，電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)是需要一定時間的，當(dāng)控制信號的周期與此時間相當(dāng)時，電子就來不及跟隨信號變化，這個信號的頻率就是MOSFET的最高工作頻率；開關(guān)速度，MOSFET的這個參數(shù)是低電壓器件中最佳的；極間電容，這是影響器件開關(guān)頻率的主要因素。在這些參數(shù)中，MOSFET的耐壓值和其導(dǎo)通電阻是相關(guān)聯(lián)的，隨著耐壓值的增加，導(dǎo)通電阻也隨之增加，MOSFET的耐壓水平由芯片的電阻率和厚度決定，而MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，芯片電阻率直接影響器件的導(dǎo)通電阻，通常MOSFET的導(dǎo)通電阻隨耐壓的2．4—2．6次方增加，如1000 V耐壓是3O V耐壓的33．3倍，而同樣大的芯片的導(dǎo)通電阻將變?yōu)榇蠹s64倍，這也直接限制了MOSFET在高反壓器件中的應(yīng)用。如果想保持導(dǎo)通電阻基本不變就需要更大的管芯面積，就需要增加封裝尺寸。如TO220封裝的耐壓為400 V的IRF740的導(dǎo)通電阻為0．55 Q，而電阻相近的耐壓為500 V的IRF450(導(dǎo)通電阻0．4 Q)則需要TO207封裝，尺寸增加將近一倍。以TO220封裝的IRF系列為例，IRF640，IRF740，IRF840的耐壓分別為200 V，400 V，500 V，導(dǎo)通電阻為0．18 Q，0．55 12，0．812；25℃時的額定電流為28 A，l8 A，l0 A。在一般的應(yīng)用中，MOSFET的開關(guān)速度實(shí)際上是受驅(qū)動電路的驅(qū)動能力影響的，極少會出現(xiàn)驅(qū)動電路的驅(qū)動能力過剩而MOSFET 的速度或自身特性限制了開關(guān)速度。而同一系列的開關(guān)管，新品對驅(qū)動電路的驅(qū)動能力的要求一般會明顯降低。因此，在選擇主開關(guān)時，盡可能的選擇新品，驅(qū)動能力的要求較低，開關(guān)速度較快。IGBT在結(jié)構(gòu)上與MOSFET類似，柵極、集電極與MOSFET完全相似，只是多了一個P+層，控制時有MOSFET的特點(diǎn)，導(dǎo)通時具有雙極型晶體管的特點(diǎn)，IGBT的特性是開通時壓降小(1000 V 的管子只有2～3 V，相對于MOSFET較小)，關(guān)斷時漏電流很小，與場效應(yīng)管相當(dāng)，正局部取代大功率晶體管和一些MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域[6]。開關(guān)管耐壓的選擇，由于主開關(guān)的雙極型晶體管、MOSFET、IGBT的性能均隨耐壓的上升而下降，因此在選擇耐壓時并非越高越好，而是適可而止。合理的選擇主開關(guān)管的額定電壓直接影響著變換器的性能。通過了解主開關(guān)的電壓波形就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)計出主開關(guān)的電壓峰值。影響主開關(guān)電壓的最主要因素是占空比，其原因是根據(jù)變壓器和電感的磁通復(fù)位原則，開關(guān)管的導(dǎo)通時間與電源電壓積應(yīng)不大于開關(guān)管的關(guān)斷時間與復(fù)位電壓的乘積。占空比越大，開關(guān)管的關(guān)斷時間越短，需要的復(fù)位電壓越高。對于不同的電路拓?fù)浜筒煌目刂品绞?，要求開關(guān)管的額定電壓將不同。其輸入不同的電壓條件下，開關(guān)管的額定電壓與電路拓?fù)浜涂刂品绞降年P(guān)系如下：(1)交流市電不帶有PFC(功率因數(shù)校正)功能。 橋式變換器：400—50o V； 推挽式變換器：800—900 V； 單端正／反激變換器：600～700 V； 單端正激變換器帶有有源箝位：600 V。 (2)交流市電帶有PFC功能。 橋式變換器：500—600 V； 推挽式變換器：900—1000 V； 單端正／反激變換器：800 V； 單