Buck工作原理分析，连续模式，断续模式

Part01：Buck电路工作原理：

图1-1 Buck电路拓扑结构

Buck电路的拓扑结构如图1-1所示：

（1） input接输入电源，既直流电动势；

（2） IGBT1为开关管，可以选择以全控型开关管为主，对于高频状态多使用MOSFET,对于高电压状态，多采用IGBT（MOSFET或者IGBT由Buck电路具体工作情况决定）。Buck变换器又称降压变换器，通过控制input侧直流电动势的供电与断电实现输出测的降压。开关管的控制方式根据控制信号的不同主要又分为以下三种方式：

a) 脉冲调制型：保持开关周期T不变，调节开关导通时刻ton，（PWM: Pulse Width Modulation）最常用，最容易实现

b) 频率调制（调频型）：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T.

c) 混合调制：同时改变ton和T，使得占空比ton/T发生改变。

（3） 电感储能，Buck电路中电感起到储能的作用，当开关管导通后，电源向电感充电；当开关管关闭后，电感经过二极管续流。通常电感中电流是否连续取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

（4） 二极管为续流二极管，当开关管关断以后，为电感的能量提供续流通道。

（5） 输出负载侧接负载，一般先经过电容滤波然后再接负载。

Part02：工作工程分析

分析方法1：常规角度分析（时域分析）

本次设计中，以MOSFET为例分析Buck电路的工作工程。Buck电路根据电感电流IL的连续与断续存在连续导通工作状态和非连续导通工作状态。

（1） CCM模式下：（Continuous Conduction Mode）连续工作模式

当开关管导通时,等效电路如图2-2所示：

图2-1 开关管导通时，等效电路图

由图2-1所示，输入电源Vin向整个电路供电，电感电流增加，一开始，流过电感的电流小于负载电流IL，此时负载电流由电感和电容共同提供。当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。

当开关管关断后，等效电路如图2-2所示：

图2-2 开关管关断后，等效电路图

如图2-2所示，开关管关断时，电感电流下降，此时电流依然大于输出平均值，电容电压延续上述上升的趋势，直至电感电流小于输出平均电流，电容开始放电，完成一个开关周期的循环过程。

整个过程的波形图如图2-3所示：

图2-3 CCM下工作波形图

（2） DCM模式下：（Discontinuous Conduction Mode）非连续导通条件下：

在 DCM 模式下，电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零，此时的等效输入电压为输出电压值，具体的波形如图2-4 所示。

图2-4 DCM模式下工作波形图

在CCM工作模式下，电路的电压输出值和输入值之间呈正比关系，比例系数为占空比D。在DCM工作模式下，输出电压会被抬升，具体的关系和电路的参数，开关频率以及占空比有关。推导公式如下：,其中。

根据上述公式可以看出，当输出端开路，及电阻无穷大的时候，输入等于输出。

分析方法2：从滤波器的角度分析

二阶滤波器：

图2-5 二阶滤波器

二阶滤波器的传递函数：

二阶滤波电路的固有频率

通过对上述的传递函数的分析可以发现，二阶滤波器可以等效为一个比例环节和一个震荡环节构成。其中震荡环节的自然震荡频率为：，阻尼比为.,该二阶滤波器的谐振频率为。所以该二阶滤波器的谐振频率小于等于自然频率，在负载一定的情况下（既R为定值时），电容C的大小影响该二阶系统的阻尼系数，既影响系统的响应速度和超调量；在负载一定的情况下，增大系统的电感值，可以使得系统的阻抗增加，即在输入电压一定的情况下，得到的纹波电流就越小。

该电路的总体阻抗为:

典型二阶滤波器电路与Buck电路的后半部分结构相同，唯一不同的是在二阶滤波器中，电流可以双向流通，而Buck电路后半部分只允许电流单向流动。当二阶滤波器变为只能单向流动的二阶电路时，电路的工作过程会产生不同的结果。在该工作情况下该电路的不再是一个滤波电路，而变成一个整流电路。

图2-6 电流单向流动的二阶滤波器

Buck电路有以下三种工作模式：

（1） CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式：在一个开关周期内，电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”，意味着在开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。

（2）DCM，(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式：在开关周期内，电感电流总会会到0，意味着电感被适当地“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。

（3）BCM（Boundary Conduction Mode），边界或边界线导通模式：控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高，而截至斜坡相当平，则开关周期延长，因此，BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。

工作模式的判别条件为：

电流连续的条件为：

其中, ,

Part03： 连续工作模式（CCM）

图3-1 连续工作模式（CCM）仿真主电路图

如图3-1所示，C1为滤波电容，滤除输入电源的干扰；C2为输出滤波电容，在开关管导通时，为负载提供能量，并且存储能量，可以起到对输出电压的滤波作用；电感L1为储能电感，开关管开通时，通过电感向负载供电，且电感存储能量，当开关管关断以后，电感上面的剩余能量通过二极管D1续流释放能量；二极管D1一方面具备释放电感能量的续流作用，此外利用二极管的单向导通性能，在开关管处于开通状态时，将电路输入电压钳位到电源电压。

图3-2 开关管驱动信号

如图3-2所示，开关管的驱动信号通过一个信号源产生，本次仿真中输入电源设置为400V，输出期望电压为300V，开关频率为30Khz。所以信号源参数设置如图3-3所示，对应的PWM驱动信号如图3-4。

图3-3 信号源参数设置

图3-4 PWM驱动信号

图3-5 稳态下电感电流波形图

由图3-5所示，在该Buck电路处于稳定状态下时，流过电感的电流在23-27之间呈三角波形式波动，其平均电流约为24.6A，流过电感的电流大于0，所以处于连续工作状态。该工作模式下，Buck电路的输入、输出电压波形如图3-6所示，由图可知，输出电压大约0.01s以后稳定在300V，且具有较好的响应速度，但是超调量较大。经过测量，输出电压可达到的 最大值为458V。

图3-6 CCM下Buck电路输入输出电压

Part04：非连续工作模式（DCM）

图4-1 非连续工作模式（DCM）仿真主电路图

DCM下仿真电路如图4-1所示，通过与图3-1对比可见只需要修改电感参数即可使Buck电路工作在非连续状态，其余均相同。这一点通过Part02中的Buck电路判定条件可以得到验证。

图4-2 稳态下电感电流波形图

由图4-2所示，在该Buck电路处于稳定状态下时，流过电感的电流在0-70之间呈三角波形式波动，其平均电流约为30.9A，流过电感的电流大于0，但是在电流为0时，存在一段时间流过电感的电流一直为0，既电感电流处于非连续工作状态。该工作模式下，Buck电路的输入、输出电压波形如图4-3所示，由图可知，在DCM工作模式下，输出电压大于CCM工作模式下的输出电压，经过测量大约为370V。

图4-3 DCM下Buck电路输入输出电压

Part05：连续工作模式（CCM）和非连续工作模式（DCM）的特点

图5-1 CCM和DCM两种模式下电感电流波形

CCM模式下Buck电路特点：

（1）D 限定在小于 1，降压变换器的输出电压始终小于输入电压；

（2）如果忽略各种欧姆损耗，变换系数D与负载电流无关；

（3）通过变化占空比 D，可以控制输出电压；

（4）降压变换器工作于 CCM，会带来附加损耗。因为续流二极管反向恢复电荷需

要时间来消耗，这对于功率开关管而言，是附加的损耗负担；

（5）输出没有脉冲纹波，但是有脉冲输入电流。

DCM模式下Buck电路特点：

（1）D 依赖于负载电流；

（2）对于相同的占空比，DCM工作模式下的传递系数比CCM工作模式下大。在负载电流低且工作于深度DCM工作模式下,传递系数容易达到1。

CCM与DCM比较：

（1）   工作在DCM模式下，能够降低功耗，DCM模式下的转换效率更高，属于能量完全转换。

（2）   工作于DCM模式，输出电流的纹波比CCM模式下大。

（3）   工作于DCM模式，当流过电感电流为0的时候，会产生振荡现象

（4）   工作于CCM模式，输出电压与负载电流无关，当工作于DCM模式下，输出电压受负载影响，为了控制电压很顶，占空比必须随着负载电流的变化而变化，所以必须加入闭环控制。