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魏泰鸣;杨毅
【摘 要】Buck 电路是应用最广泛的一种开关电源电路,具有开关电源的优点,但仍存在一些问题,如大电流下通态损耗增加,效率降低,,文章提出了一种利用同步整流技术和多路穿插并联技术实现高效率低纹波的 Buck 电路改进方案,并通过 Simulink 仿真进展了验证.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2025(037)022
【总页数】3 页(P176-178)
【关键词】开关电源;高效率;低纹波;同步整流;穿插并联
【作 者】魏泰鸣;杨毅
【作者单位】昆明理工大学电力工程学院,昆明 650500;昆明理工大学电力工程学院,昆明 650500
【正文语种】中 文
【中图分类】TN108.
0 引言
随着现代电力电子技术的进展，开关电源的创愈加快速，应用愈加广泛。开关电源由开关器件、储能元件、掌握元件组成，其工作原理是通过掌握开关管的导通与关断，对输入电压进展斩波，转换为高频的直流电，从而产生需要的电压，最终实
现电能的变换 [1]。直流开关电源以 MOSFET 或 IGBT 作为主功率器件，高频化是
其进展的方向，高频化带来的一个显著优点就是大大减小了开关电源的体积，因此提高了变换器的功率密度。另一方面，开关电源高频化也减小了电感的损耗，使效率有所提高。因此，开关电源具有体积小、重量轻、效率高、模块化、电压范围宽等优点。
开关电源分为沟通输入和直流输入两种类型[2]。Buck 电路属于直流输入类型，其功率元件工作在开关状态且开关频率较高，因此，输出电压受到高频干扰较为严峻， 纹波较大；而当传输电流较大时，Buck 电路的效率也会受到很大影响。因此，如
何进一步提高 Buck 电路的效率、减小输出电压纹波成为一个重要争论方向[3]。1 Buck 电路的原理
Buck 电路，又称降压斩波电路，主要由开关管、续流二极管、储能电感组成。其中开关管是最重要的器件，通过掌握电路可使开关管进展高频的开通与关断，在一个周期内，Buck 电路的工作过程也因此被分为两局部。当开关管导通时，电源向负载供电，此时负载电压近似为电源电压，负载电流即电感电流呈指数上升；当开关管关断时，负载电压近似为 0，电感电流只能通过二极管续流，因此负载电流呈指数下降。一个周期完毕，再次导通开关管，重复上一个周期的过程。调整开关管开通与关断的时间，即调整占空比，可以转变输出电压的大小。
传统的 Buck 电路有两大缺点。第一，在开关管关断时，电感电流通过二极管续流， 由于二极管存在正向导通压降，带来了较大的器件损耗，尤其在大电流 Buck 电路中，二极管损耗更为严峻，严峻影响了 Buck 电路的转换效率。其次，由前面分析的 Buck 电路工作原理可知，输出电压为脉动直流电，一般在输出端接电容滤波， 可获得较为平滑的直流电压，而电压纹波随着电容值的增大而减小，为取得较小的 电压纹波，需要的电容数量和体积通常会比较大，不利于开关电源体积小型化。
提高效率
在大电流应用场合，Buck 电路的主要损耗来源于续流二极管，这是由于二极管存
在正向导通压降，电流越大损耗也越严峻 [4]。为提高电路的转换效率，可承受同步 Buck 电路。
同步 Buck 电路的主电路原理图如图 1 所示，相较于传统 Buck 电路的构造并无差异，只是将原来的续流二极管换成了 MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗。依据图 1，电路中共有 2 个 MOSFET，分别为 Q1 和 Q2，当Q1 导通，Q2 关断时，电感电流开头增大，输出电压近似于电源电压；当 Q1 关断时，电感电流不能突变，因此通过 Q2 续流，在此时将 Q2 导通，由于 Q2 是MOS 管，导通电阻很低，续流过程的通态损耗大大减小，整个 Buck 变换器的效率得到提升。因此两个 MOS 管可用一对相反的 PWM 信号来掌握。
图 1 同步 Buck 主电路原理图
图 2 传统 Buck 电路的 Simulink 仿真模型图 3 同步 Buck 电路的 Simulink 仿真模型图 4 单路 Buck 电路的 Simulink 仿真模型
依据电路的工作原理，在 Simulink 里搭建模型，通过仿真来验证同步 Buck 电路与传统 Buck 电路相比效率是否有所提升。
图 2 是在 Simulink 里搭建的传统 Buck 电路仿真模型，主电路由直流电源 E、主功率 MOS 管 Q1 及其掌握信号、电感、滤波电容、负载电阻构成，其中，直流电源电压设置为 100V，滤波电容为 100uF，负载电阻为 10Ω，主开关管 Q1 的占空比设为 60%，开关频率设置为 20kHz。
仿真的测量局部分别由输入和输出端的电压测量模块、电流测量模块、乘法器、有效值计算模块以及数值显示模块组成。在 Simulink 中运行仿真，测量出的电压与电流相乘，通过有效值计算模块转化成有效值，然后通过显示模块读出功率大小， 输出功率与输入功率的比值即 Buck 电路的效率。从图 2 中可以读出，输入功率为
，输出功率为 ，因此，整个电路的效率为 %。
为提高转换效率，承受同步 Buck 电路，其 Simulink 仿真模型如图 3 所示。与图2 中传统 Buck 电路相比，将续流二极管 D1 更换为 MOS 管 Q2，此时需要多加一路 MOS 管驱动信号。主开关管 Q1 的占空比设为 60%，续流 MOS 管 Q2 的掌握信号与 Q1 相反，占空比为 38%，开关频率设置为 20kHz。
从图 3 中可以读出，输入功率为 ，输出功率为 ，因此，整个电路的效率为 77%，比传统 Buck 电路的效率有所提升。
减小纹波
传统的 Buck 电路输出电压为脉动直流电，纹波大，只靠增大输出电容来减小纹波但效果并不明显。输出电容增大势必带来整个 Buck 变换器的体积、重量、本钱的增加，因此，需要提出其他减小电压纹波的方案。
因此，可承受多路穿插并联的方式来解决此问题。多路穿插并联技术，是指多个变换器输入输出分别并联，每个并联模块的开关频率完全一样，开通相位彼此穿插。通过多路穿插并联，可使输出电压纹波相位错开，相互抵消，从而大大减小输出电压的纹波。同时，多路并联运行还可以减小器件的电流应力，提升功率等级[5]， 并能减小电路的电能损耗，从而提升整个变换器的效率。
以两路同步 Buck 电路穿插并联为例，在 Simulink 中搭建模型，通过仿真来验证两路穿插并联 Buck 电路与传统 Buck 电路相比，其电压纹波大小是否明显减小。图 4 是在 Simulink 中搭建的单路同步 Buck 电路仿真模型，由直流电源 E、2 个MOS 管 Q1、Q2 及 2 路掌握信号、电感、滤波电容、负载电阻以及电压测量模块和示波器组成。其中，直流电源电压设置为 100V，滤波电容为 100uF，负载电阻为 100Ω，主开关管 Q1 的占空比设为 60%，续流 MOS 管 Q2 的掌握信号与Q1 相反，占空比为 38%，开关频率设置为 20kHz。
仿真结果如图 5 所示，输出电压在 56V 到 67V 之间波动，电压纹波大小为 11V，
频率为 20kHz。可见，单路 Buck 电路的输出电压纹波格外大。
图 6 两路穿插并联 Buck 电路的 Simulink 仿真模型图 5 单路 Buck 电路的输出电压纹波
图 7 两路穿插并联 Buck 电路的输出电压纹波
为减小输出电压纹波，承受两路 Buck 穿插并联电路，其 Simulink 仿真模型如图6 所示。除了两路 Buck 模块共用的电压源、滤波电容、负载之外，还包括四个开关管 Q1-Q4、两个电感 L1 与 L2、电压测量模块和示波器。其中，直流电源电压设置为 100V，滤波电容为 100uF，负载电阻为 100Ω，两路 Buck 的主开关管Q1 和 Q3 占空比设为 60%，续流 MOS 管 Q2 和 Q4 的占空比设置为 38%，Q1- Q4 的开关频率均为 20kHZ，全部与单路 Buck 模块的参数一样。而第一路 Buck 电路的两个 MOS 管 Q1 和 Q2 的相位无延迟，其次路 Buck 电路的两个 MOS 管Q3 和 Q4 的相位延迟半个周期。
这样，两路 Buck 模块实现穿插并联运行，仿真结果如图 7 所示， 到 之间波动，电压纹波大小为 2V，频率为 40kHz。可见两路 Buck 穿插并联电路使电压纹波的频率变为单路的两倍，电压纹波相互抵消，大大降低。4 结论
Buck 电路作为一种直流开关电源电路，通过主功率管的开通与关断，对输入直流电压进展斩波，最终输出高频直流脉动的电压，具有效率高、体积小、电压范围宽等优点；但也存在续流二极管通态损耗大，输出电压纹波大的缺点。本文提出了一种高效率低纹波的 Buck 电路改进方案，针对效率低和纹波大的问题，分别承受同步 Buck 电路和两路穿插并联技术得到了解决。在 Simulink 中搭建了传统 Buck 电路、改进的同步 Buck 电路、两路穿插并联的 Buck 电路。通过对仿真数据的分析，同步 Buck 电路相较传统 Buck 电路的效率从 80%提高到 85%；两路穿插并联的 Buck 电路相较单路 Buck 电路的输出电压纹波从 10V 减小到 2V，对 Buck
电路的改善取得了明显的效果，对 Buck 电路在大功率开关电源场合下的应用有着
重要的价值。参考文献：
【相关文献】
[1][J].价值工程，2025，31〔01〕：42-43. [2] [J].价值工程，2025，29〔12〕：204.
宋飞，胡世平，[J].价值工程，2025，30〔19〕：30.
陆治，刘捷丰，吴春军， DC/DC 变换器[J].中国电机工程学报，2025，33〔12〕：39-46，184.
李冬， Buck 变换器设计及仿真分析[J].电气传动，2025，43〔S1〕：79-81.