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
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).
作者简介
周建洪(1960-),男,副教授。主要从事自动化专业的教学和科研工作,主持完成多项科研和技术开发项目,已发表论文10余篇。