车辆和运载工具电力系统中的Buck变换器

DC/DCBuck（降压）变换器降低输入电压。图2-11描述了变换器的主电路。正如讨论变流器一样，DC/DC变换器运行的讨论同样分为连续和断续导通工作状态。

图2-11 DC/DCBuck变换器

从图2-11可以看出，要想对变换器的性能有一个完整理解，有两个变量必须得到检测，它们是电感电流和电容电压（输出电压）。半导体开关的断开和闭合改变主电路的工作阶段。因此，电路性能根据半导体开关情况进行讨论。开关可以是晶闸管、MOSFET、IGBT或者其他全控电力电子开关。

在CCM运行状态，当开关处于导通（0＜t＜DT）状态，变换器的电路图如图2-12所示。一旦开关接通，电流开始流过电路。由于电路中存在电感，电流不能发生跃变，但开始线性地增加。同时也可以看出，负的电源电压出现在二极管两端，因此其会反向偏置。观察电路中电流流动，表明这个周期内电源电压对电容进行充电，同时对负载供电。另一个变量电感电流同时也线性地增加，开始储存能量。在这期间，二极管由于反向偏置而电流为零。由于电感两端有两个电压（输入和输出），它们的差将施加在电感两端。从状态方程来看，可以得到下列描述。

式中 V_d——电源电压；

V_o——输出电压；

i_L——电感电流；

D——占空比。

图2-12 开关下的DC/DCBuck变换器

当开关断开（DT＜t＜T）时，变换器电路图如图2-13所示。从电路图可以看出，负载电流路径由二极管提供。二极管正向偏置，储存在电感中的能量开始释放，对负载供电。这期间的电容作用是使输出电压保持在设计阶段设定的纹波限值内。因此电感提供能量与负载所需能量差值由输出电容维持。但是，由于此时电路没有电源，电感储存的能量继续消耗，电感电流在这期间线性地减小。电容在这个期间放电。此时出现在电感两端的电压是负的输出电压。下面是这期间的数学式。

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图2-13 开关断开时的DC/DCBuck变换器

从式（2-2）和式（2-3），有

占空比D在0和1之间。因此可以说，输出电压总是小于输入电压。图2-14描述了CCM运行状态下的电感电压和电流波形。可以看出，输出电压没有低于x坐标轴。原因是我们假定设计较好，使得输出电压保持一个常数。

电感线性增量和减量可以通过上面的波形观察得到，它证明了我们的分析。同时也可以看到电感电流不为零，因此变换器工作在CCM运行状态。工作在CCM运行状态的合理解释是输出电感值较大。因此我们可以说，如果给出运行负载范围、输入电压、所需输出电压和开关频率等要求，则设计出占空比值和电感值，使变换器工作在CCM是可能的。如果给出输出电压纹波限值，我们同样可以设计出输出电容。

临界断续导通状态（CDCM）运行是连续和断续导通模式间工作的边界状态。图2-15显示了CDCM运行状态下的电感电压和电流波形。

图2-14 CCM运行状态下的电感电压和电流波形

图2-15 CDCM运行下的DC/DC Buck变换器波形

在CDCM运行状态，电感电流为零，但其一旦下降到零，则开关立即接通，电流重新升高。因此，可以说变换器工作在临界状态。

图2-16描绘了在DCM运行状态下DC/DCBuck变换器的波形。可以清晰地看出，电感电流为零的时间相比CDCM运行状态下的要长。事实上，在CDCM运行状态下，电感电流一旦到达零，则立即增长。但是在这种状态下，电流会在零点保持一段时间。这里最小瞬态电感电流为零：在T时刻前电流降为零，而在CDCM运行状态的情况下，电流在T时刻降到零。

图2-16 在DCM运行状态下DC/DCBuck变换器波形