自耦式Boost DC/DC變換

摘要：提出了一種自耦式Boost變換電路，并進行了理論分析和實驗研究。

關鍵詞：自耦；升壓；DC/DC變換

Self-couple Boost DC/DC Conversion

ZHOU Jian-hong, LIU Gang

Abstract:A kind of self-couple Boost DC/DC converter is proposed, the analysis in theory and research in experiment are carried out.

Keywords:Self-couple; Boost; DC/DC conversion

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：B 文章編號：0219－ 2713(2003)04－ 0168－ 021

1 引言

BoostDC/DC變換在通信、電子、計算機等領域有著廣泛的應用前景。現(xiàn)廣泛采用的Boost變換電路拓撲可分為兩類，一類是變壓器耦合式，典型的電路是Fly—Boost和Back—Boost；另一類是非隔離的L—C耦合式和開關電容式。常見的是單管Boost、Cuk以及SPIC等電路，前者由于雙繞組變壓器的存在，限制了電路體積的進一步減小，同時分布參數(shù)也制約了效率的提高；后者受寄生參數(shù)的影響，升壓比的提高受到了限制，不得不采用級聯(lián)的方式提高輸出電壓，這勢必使電路結(jié)構(gòu)復雜化。本文研究了一種新型的BoostDC/DC變換，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、升壓比大等特點。

2 電路與工作原理

自耦正激式Boost變換的電路拓撲如圖1所示。U₁為輸入電壓，U_o為輸出電壓，L₁、L₂為同芯電感。電路的工作過程可分為兩個模態(tài)，如圖2所示。

圖1 Boost DC/DC變 換 電 路 拓 撲 圖

（ a） 模 態(tài) 1（ S導 通 ） （ b） 模 態(tài) 2（ S關 斷 ）

圖2 電 路 的 工 作 模 態(tài)

模態(tài)1 S導通〔圖2(a)〕，U₁通過開關S給L₁充電。同時，由于L₁、L₂的互感作用，產(chǎn)生一個U₂加到輸出端。U₂由式（1）決定。

U₂=(L₁＋L₂)=U₁ (1)

式中：N₁、N₂分別是L₁，L₂的匝數(shù)。

輸入、輸出電流由式（2）決定。

I₁－I₂=I_L （2）

式中：I_L為電感的激磁電流。

模態(tài)2 S關斷〔圖2（b）〕，若忽略漏感，則儲存在L₂內(nèi)的磁場能量以I_L的形式，通過U₁、U_o和D₂續(xù)流放電，I_L衰減到零時，磁芯復位。

磁芯復位的條件為

U₁t_on= （3）

式中：t_on、t_off分別為S的導通時間與關斷時間。

根據(jù)式（3）可以求出滿足磁芯復位條件的最大占空比為

DM=1－ （4）

式中：K=為升壓比。

3 輸出電壓的表達式

輸出部分的等效電路，如圖3所示，R為線路電阻。

（a） 模 態(tài)1（S導 通 ） （b） 模 態(tài)2（S關 斷 ） （c） 輸 出 電 壓 波 形

圖 3 輸 出 等 效 電 路 與 輸 出 電 壓 波 形 分 析

模態(tài)1時，輸出電壓的表達式為

u_o1=U₂₁＋(U_OL－U₂₁) （5）

式中：U₂₁=；

τ₁=；

U_OL為輸出電壓波動的下限。

模態(tài)2時，輸出電壓的表達式為

u_o2=U_OH （6）

式中：U_OH=U₂₁＋(U_OL－U₂₁)為輸出電壓波動的上限；

τ₂=CR_L；

D為占空比，D=。

則輸出電壓的平均值為

U_AV=U₂₁＋（U_OL－U₂₁)＋〔U₂₁＋(U_OL－U₂₁)〕(7)

式（7）表明：D與U_AV呈正相關，但不呈線性關系。這為通過改變占空比來改變輸出電壓提供了理論依據(jù)。

4 實驗研究

對本電路拓撲進行了實驗研究，具體參數(shù)如下：U_I=10V，U_o=30V，P=5W，f=5kHz，自耦變壓器采用鐵氧磁芯，N₁=15；N₂=32。實驗結(jié)果，如圖4所示。

（ a） 基 極 驅(qū) 動 電 壓 波 形

（ b） 集 電 極 電 壓 波 形

圖 4 實 驗 波 形

5 結(jié)語

本電路與現(xiàn)有的Boost DC/DC變換電路相比，具有下述優(yōu)點：

1）相對于雙繞組變壓器，自耦變壓器的體積明顯減小。由于匝數(shù)小、漏磁少，故效率高。

2）電路結(jié)構(gòu)簡單、升壓比大。

3）磁芯復位容易、電壓過沖小。

4）磁場能量直接傳送到輸出端，進一步提高了變換效率。