1.2串联电容降压变换器的工作模式

那么接下来就给大家介绍一下

我们这个串联电容 Buck 电路的

一个主要的工作原理

我们从这个图上可以看到一个

串联电容 Buck 电路的一个电路结构图

就跟我们的两相的一个 Buck 电路很类似

但它的一个最主要的区别就是

它在我们的那个上管的 A 相那里

它加入了一个串联的电容

所以说它等于说是

把我们一个两相 Buck 电路

变成了一个单相的单极的输出

那么加了这个串联电容的一个好处就是

它能够使我们的两相的一个上管

也是 Q1a 跟 Q1b 他们的那个 Vds 电压

都能够降低一半

那么同时它这个串联的一个电容

它的充电是等于它那个 A 相的

一个电感的充电电流

那么它放电也会等于 B 相的

一个电感的放电电流

所以这个串联电容上

它的一个充电跟放电电流都是

通过一个电感来实现的

那么就不会出现那种

瞬时电流峰值很大的一个情况

那么第四个优点就是

我们加入了这个串联电容之后

它能够自动地实现一个电流的均衡

也就是它不再需要

一个外部的电流的平衡电路

那么第五个优点就是

我们加了这个串联电容之后

就能够实际有效地降低

我们加在每个上管上面的

一个有效的 Vds 电压值

那么也就是说意味着

我们有效的输入电压能够实现减半

同样的话相应的

我们每个上管的一个导通时间

它的一个 duty cycle 就能够实现加倍

那么它的一个主要的缺点就是

第一个就像我们刚才上面提到的

它能够实现我们 duty cycle 的一个加倍

它实际上就限制了我们每个上管

它的导通时间不能超过 50% 的

所以说这个在理论上

我们这种拓扑就只能适用于

输入电压是输出电压的四倍以上的应用

那么考虑到实际上我们那个管子

它的驱动时间的上升沿跟下降沿

以及我们这些管子导通的一个导通损耗

那么实际上我们在实际应用当中

都是推荐于我们这种应用是应用于

输入电压是五倍于输出电压以上的场合

那么它另外一个缺点就是

它是没有那种 phase-shedding 的一个功能

就是说它不像传统的那种两相 Buck 电路

它可以通过在轻载的时候来关断一下

来降低我们整个系统

在轻载时候的一个损耗

那么我们这种方法

是不适合在我们这个

串联电容的 Buck 电路里面应用的

接下来我们就详细分析一下这个

串联电容 Buck 电路的一些工作模式

我们把这个串联电容 Buck 电路

它的那个工作周期就分成四个小段

我们先来看第一个小段的时间

那么第一个小段时间就对应于

我们每个开关周期的前 50% 个周期之内

我们的 A 相的上管导通的时候

那么对应于 A 相的上管导通

也就是在我们图里面的 Q1a 导通的时候

那么对应的 A 相的一个续流管也是 Q2a

它处于关断的一个状态

就是说它是不导通的

那么相应的 Q1b

也就是 B 相的一个上管

那么因为我们是处于

开关周期的前半周期的

所以说 Q1b 它也是处于不导通一个状态

那么相应的 Q2b 要跟 Q1b 互补

那么 Q2b 它是处于导通的一个状态

那么我们就来看

整个的一个电流的环路

首先我们因为看到 Q1a 应该导通

所以说这个时候会有输入电源

通过 Q1a 加到我们的那个 Ct 上去

也就是我们这个串联电容上

那么这个时候串联电容的左端

它实际上就是等于我们的输入电压

那么这个时候我们在 VSWa

也就是 A 相的 SW 点

那么它这个电压实际上就等于

我们的输入电压

减去这个串联电容上的一个电压

那么所以说这个时候加在我们 La 上

也就是 A 相电感上

它的一个压降也就是等于

输入电压减去 VCt 的电压

然后再减去输出电压

这个时候就是这个电压

加在我们的那个 La 上的

来实现一个正相的电流的充电

那么对应于我们这个

也就是我们的这个标志里面的一个红色

然后再转变为一个蓝色的电流回路

那么对于 B 路来说

B 路因为这个时候上管

是处于不导通的状态

那么下管开通的话

那么也就是它是处于一个续流的状态

B 路这个时候它的电流就是

通过 B 路的电感

然后到输出

然后会经过地回路

再经过我们 B 路的一个续流二极管

来回来形成一个整的续流回路

那么下面这个图就是

我们那个串联电容上的一个电压的波形

这个电压它基本上是处于一个

1/2 输入电压的状态

也就是大概是 12V 的一半

是 6V 左右

当然，它上面会有一个

大概是个 0.1V 的电压纹波

这个是由于我们的那个电感的电流

对我们的这个电容进行充放电的一个原因

那么对于我们这个时间周期的话

它刚好是因为是处于一个正相充电的状态

那么就是说它的电压

会逐渐地呈一个斜率上升

那么我们在右边看到这个图上就是说

我们的一个两相的电感的电流波形

那么 A 相的电流我们可以看到

因为 A 相它上面是加了

一个左正右负的电压

所以说我们可以看到

La 它实际上是呈一个斜率上升的状态

那么对于 B 相来说

因为 B 相它处于续流的状态

也就是它上面 Lb 上是加了一个负压

所以 Lb 的电流实际上是

呈一个斜率下降的状态

那么对于 SW 点的波形来说

那么 A 相的一个 SW 点的波形

它刚好是等于

输入电压减去串联电容上的一个电压值

那么就等于一半的一个输入电压

那么对于 B 相来说

因为是处于续流

所以说 B 相上一个电压就等于零

那么接下来就给大家介绍一下

我们这个串联电容 Buck 电路的

一个主要的工作原理

我们从这个图上可以看到一个

串联电容 Buck 电路的一个电路结构图

就跟我们的两相的一个 Buck 电路很类似

但它的一个最主要的区别就是

它在我们的那个上管的 A 相那里

它加入了一个串联的电容

所以说它等于说是

把我们一个两相 Buck 电路

变成了一个单相的单极的输出

那么加了这个串联电容的一个好处就是

它能够使我们的两相的一个上管

也是 Q1a 跟 Q1b 他们的那个 Vds 电压

都能够降低一半

那么同时它这个串联的一个电容

它的充电是等于它那个 A 相的

一个电感的充电电流

那么它放电也会等于 B 相的

一个电感的放电电流

所以这个串联电容上

它的一个充电跟放电电流都是

通过一个电感来实现的

那么就不会出现那种

瞬时电流峰值很大的一个情况

那么第四个优点就是

我们加入了这个串联电容之后

它能够自动地实现一个电流的均衡

也就是它不再需要

一个外部的电流的平衡电路

那么第五个优点就是

我们加了这个串联电容之后

就能够实际有效地降低

我们加在每个上管上面的

一个有效的 Vds 电压值

那么也就是说意味着

我们有效的输入电压能够实现减半

同样的话相应的

我们每个上管的一个导通时间

它的一个 duty cycle 就能够实现加倍

那么它的一个主要的缺点就是

第一个就像我们刚才上面提到的

它能够实现我们 duty cycle 的一个加倍

它实际上就限制了我们每个上管

它的导通时间不能超过 50% 的

所以说这个在理论上

我们这种拓扑就只能适用于

输入电压是输出电压的四倍以上的应用

那么考虑到实际上我们那个管子

它的驱动时间的上升沿跟下降沿

以及我们这些管子导通的一个导通损耗

那么实际上我们在实际应用当中

都是推荐于我们这种应用是应用于

输入电压是五倍于输出电压以上的场合

那么它另外一个缺点就是

它是没有那种 phase-shedding 的一个功能

就是说它不像传统的那种两相 Buck 电路

它可以通过在轻载的时候来关断一下

来降低我们整个系统

在轻载时候的一个损耗

那么我们这种方法

是不适合在我们这个

串联电容的 Buck 电路里面应用的

接下来我们就详细分析一下这个

串联电容 Buck 电路的一些工作模式

我们把这个串联电容 Buck 电路

它的那个工作周期就分成四个小段

我们先来看第一个小段的时间

那么第一个小段时间就对应于

我们每个开关周期的前 50% 个周期之内

我们的 A 相的上管导通的时候

那么对应于 A 相的上管导通

也就是在我们图里面的 Q1a 导通的时候

那么对应的 A 相的一个续流管也是 Q2a

它处于关断的一个状态

就是说它是不导通的

那么相应的 Q1b

也就是 B 相的一个上管

那么因为我们是处于

开关周期的前半周期的

所以说 Q1b 它也是处于不导通一个状态

那么相应的 Q2b 要跟 Q1b 互补

那么 Q2b 它是处于导通的一个状态

那么我们就来看

整个的一个电流的环路

首先我们因为看到 Q1a 应该导通

所以说这个时候会有输入电源

通过 Q1a 加到我们的那个 Ct 上去

也就是我们这个串联电容上

那么这个时候串联电容的左端

它实际上就是等于我们的输入电压

那么这个时候我们在 VSWa

也就是 A 相的 SW 点

那么它这个电压实际上就等于

我们的输入电压

减去这个串联电容上的一个电压

那么所以说这个时候加在我们 La 上

也就是 A 相电感上

它的一个压降也就是等于

输入电压减去 VCt 的电压

然后再减去输出电压

这个时候就是这个电压

加在我们的那个 La 上的

来实现一个正相的电流的充电

那么对应于我们这个

也就是我们的这个标志里面的一个红色

然后再转变为一个蓝色的电流回路

那么对于 B 路来说

B 路因为这个时候上管

是处于不导通的状态

那么下管开通的话

那么也就是它是处于一个续流的状态

B 路这个时候它的电流就是

通过 B 路的电感

然后到输出

然后会经过地回路

再经过我们 B 路的一个续流二极管

来回来形成一个整的续流回路

那么下面这个图就是

我们那个串联电容上的一个电压的波形

这个电压它基本上是处于一个

1/2 输入电压的状态

也就是大概是 12V 的一半

是 6V 左右

当然，它上面会有一个

大概是个 0.1V 的电压纹波

这个是由于我们的那个电感的电流

对我们的这个电容进行充放电的一个原因

那么对于我们这个时间周期的话

它刚好是因为是处于一个正相充电的状态

那么就是说它的电压

会逐渐地呈一个斜率上升

那么我们在右边看到这个图上就是说

我们的一个两相的电感的电流波形

那么 A 相的电流我们可以看到

因为 A 相它上面是加了

一个左正右负的电压

所以说我们可以看到

La 它实际上是呈一个斜率上升的状态

那么对于 B 相来说

因为 B 相它处于续流的状态

也就是它上面 Lb 上是加了一个负压

所以 Lb 的电流实际上是

呈一个斜率下降的状态

那么对于 SW 点的波形来说

那么 A 相的一个 SW 点的波形

它刚好是等于

输入电压减去串联电容上的一个电压值

那么就等于一半的一个输入电压

那么对于 B 相来说

因为是处于续流

所以说 B 相上一个电压就等于零