自耦式Boost DC/DC变换

自耦式Boost DC/DC变换   摘要：提出了一种自耦式Boost变换电路，并进行了理论分析和实验研究。 关键词：自耦；升压；DC/DC变换 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 中图分类号：TN86    文献标识码：B    文章编号：0219－ 2713(2003)04－ 0168－ 021 　 1  引言     BoostDC/DC变换在通信、电子、计算机等领域有着广泛的应用前景。现广泛采用的Boost变换电路拓扑可分为两类，一类是变压器耦合式，典型的电路是Fly—Boost和Back—Boost；另一类是非隔离的L—C耦合式和开关电容式。常见的是单管Boost、Cuk以及SPIC等电路，前者由于双绕组变压器的存在，限制了电路体积的进一步减小，同时分布参数也制约了效率的提高；后者受寄生参数的影响，升压比的提高受到了限制，不得不采用级联的方式提高输出电压，这势必使电路结构复杂化。本文研究了一种新型的BoostDC/DC变换，具有体积小、结构简单、效率高、升压比大等特点。 2  电路与工作原理     自耦正激式Boost变换的电路拓扑如图1所示。U1为输入电压，Uo为输出电压，L1、L2为同芯电感。电路的工作过程可分为两个模态，如图2所示。 图1  Boost  DC/DC变 换 电 路 拓 扑 图 （ a）  模 态 1（ S导 通 ）    （ b）  模 态 2（ S关 断 ） 图2  电 路 的 工 作 模 态     模态1  S导通〔图2(a)〕，U1通过开关S给L1充电。同时，由于L1、L2的互感作用，产生一个U2加到输出端。U2由式（1）决定。            U2=(L1＋L2)=U1   (1) 式中：N1、N2分别是L1，L2的匝数。     输入、输出电流由式（2）决定。          I1－I2=IL      （2） 式中：IL为电感的激磁电流。     模态2  S关断〔图2（b）〕，若忽略漏感，则储存在L2内的磁场能量以IL的形式，通过U1、Uo和D2续流放电，IL衰减到零时，磁芯复位。     磁芯复位的条件为          U1ton=  （3） 式中：ton、toff分别为S的导通时间与关断时间。     根据式（3）可以求出满足磁芯复位条件的最大占空比为 DM=1－  （4） 式中：K=为升压比。 3  输出电压的表达式     输出部分的等效电路，如图3所示，R为线路电阻。 （a） 模 态1（S导 通 ） （b） 模 态2（S关 断 ） （c） 输 出 电 压 波 形 图 3  输 出 等 效 电 路 与 输 出 电 压 波 形 分 析     模态1时，输出电压的表达式为       uo1=U21＋(UOL－U21)   （5） 式中：U21=；           τ1=；      UOL为输出电压波动的下限。     模态2时，输出电压的表达式为        uo2=UOH  （6） 式中：UOH=U21＋(UOL－U21)为输出电压波动的上限；          τ2=CRL；       D为占空比，D=。     则输出电压的平均值为     UAV=U21＋（UOL－U21)＋〔U21＋(UOL－U21)〕(7)     式（7）表明：D与UAV呈正相关，但不呈线性关系。这为通过改变占空比来改变输出电压提供了理论依据。 4  实验研究     对本电路拓扑进行了实验研究，具体参数如下：UI=10V，Uo=30V，P=5W，f=5kHz，自耦变压器采用铁氧磁芯，N1=15；N2=32。实验结果，如图4所示。 （ a） 基 极 驱 动 电 压 波 形 （ b） 集 电 极 电 压 波 形 图 4  实 验 波 形 5  结语     本电路与现有的Boost DC/DC变换电路相比，具有下述优点：     1）相对于双绕组变压器，自耦变压器的体积明显减小。由于匝数小、漏磁少，故效率高。     2）电路结构简单、升压比大。     3）磁芯复位容易、电压过冲小。     4）磁场能量直接传送到输出端，进一步提高了变换效率。 参考文献 [1] 刘刚.无输入电容的高功率因数单端反激式开关电源[J].电力电子技术,1997,31（2）. [2] 徐哲谆.一种新型的升压式功率因数校正电路[J].电力电子技术,1997,31（1）. [3] 萧岚.升降压式软开关DC—DC变换器的研究[J].电力电子技术,1997,31（1）.