0 引 言

　　升壓變換器是最常用的一種變換器，隨著新能源的推廣，由于太陽能、燃料電池、蓄電池等輸入源具有輸入電壓較低的特性，升壓變換器成為不可或缺的關(guān)鍵部件。常用的非隔離Boost" title="Boost">Boost升壓變換器，在高輸出電壓場合，由于寄生參數(shù)的影響不可能達(dá)到很高的輸入輸出電壓比。而另一種升壓電路是隔離升壓電路，例如正激、反激電路。隔離升壓電路中必須用到的變壓器通常具有隔離、變壓的功能，在那些不需要隔離或體積要求較小的應(yīng)用場合，通過變壓器升壓就很難滿足要求，另外變壓器漏感引起的一系列問題，比如開關(guān)電壓過沖，EMI等，常常對電源本身及周圍設(shè)備帶來安全隱患。

　　為了克服常用升壓變換器在大功率、高輸入輸出變比等場合應(yīng)用的限制，本文研究分析了一種新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作方式，并對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　1 工作原理

　　下面分析Boost電路存在的不足，在理想情況下：

　　M(D)=U0Uin= 11-D(1)根據(jù)式(1)，在一定的輸入電壓下，理論上可以產(chǎn)生任意高于輸入電壓的輸出電壓。而實(shí)際情況中，由于電感、二極管、開關(guān)管都會產(chǎn)生一定的損耗，這些損耗可以等效為一個與電感串聯(lián)的電阻RL，如圖1所示：

圖1 Boost等效電路圖

　　此時根據(jù)磁平衡原理：

　　由式(2)、(3)可得：

　　根據(jù)式(4)，在不同的RL/R 情況下，M(D)如圖2所示。由此可見，在實(shí)際電路中，Boost電路升壓比有限制極限，輸出電壓一般能達(dá)到輸入電壓的4～5倍。在大功率應(yīng)用環(huán)境中，由于損耗嚴(yán)重，升壓比反而更低。

　　為了克服上述非隔離升壓電路的不足，本文研究的升壓變換器如圖3所示，它由交錯并聯(lián)Boost電路與電容串聯(lián)組合而成。

占空比" title="占空比">占空比關(guān)系曲線圖" border="0" height="266" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20110423/257ad1f8-944f-42d4-8e7e-ecdf1d95472c.jpg" style="FILTER: ; WIDTH: 331px; HEIGHT: 266px" width="331" />

圖2 升壓比與占空比關(guān)系曲線圖

圖3 高升壓比交錯并聯(lián)Boost電路結(jié)構(gòu)圖

　　在電感電流連續(xù)模式下，當(dāng)占空比大于0。5時，系統(tǒng)工作原理時序如圖4所示，PS1、PS2分別為開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動脈沖。ID1、ID2分別為流過續(xù)流二極管D1、D2的電流。

波形圖" title="波形圖">波形圖" border="0" height="897" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20110423/4e262d73-4948-4834-aae9-4385ffb10864.jpg" style="FILTER: ; WIDTH: 384px; HEIGHT: 897px" width="384" />

圖4 系統(tǒng)工作波形圖

　　在一個周期內(nèi)系統(tǒng)工作狀態(tài)如下：

　　[t0～t1]階段，S1、S2同時導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通。輸入電流流過電感與開關(guān)管，所有的二極管電流為零，電感儲存能量，如圖5所示。

圖5 [t0～t1]階段電路工作圖

　　[t1～t2]階段，S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷。電感L2儲存的能量通過D4、D2釋放給C1、Co，如圖6所示。此時C1、C2通過D4串聯(lián)，同時與Co通過D2并聯(lián)，輸出電壓等于C1或C2兩端電壓的兩倍。

圖6　[t1～t2]階段電路工作圖

　　[t2～t3]階段，S1、S2同時導(dǎo)通。系統(tǒng)狀態(tài)與[t0～t1]階段相同。

　　[t3～t4]階段，S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通。電感L1儲存的能量通過D3、D1釋放給C2、Co，如圖7所示。此時C1、C2通過D3串聯(lián)，同時與Co通過D1并聯(lián)，L2繼續(xù)導(dǎo)通并儲存能量。

圖7 [t3～t4]階段電路工作圖

　　在電感電流連續(xù)模式下，占空比大于0。5時，設(shè)L1=L2=L，C1=C2=C，UC1=UC2=U，由磁鏈?zhǔn)睾愕茫?/p>

　　根據(jù)式(5)可得：

　　輸出電壓U0等于UC1與UC2之和：

　　由式(7)可見，在相同占空比的條件下，采用本文所述電路結(jié)構(gòu)的升壓比比采用傳統(tǒng)Boost電路的升壓比提高了兩倍。

　　在電感電流連續(xù)模式下，占空比小于0。5時，開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動脈沖如圖8所示。

圖8 占空比小于0.5時，開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動脈沖

　　在一個周期內(nèi)系統(tǒng)的工作狀態(tài)如下：

　　[t0～t1]階段，開關(guān)管S1導(dǎo)通S2關(guān)斷。電感L2儲存的能量通過D4、D2釋放給C1、C0，這時電路工作狀態(tài)與圖6所示相同，且C1、C2通過D4串聯(lián)，同時與Co通過D2并聯(lián)，輸出電壓等于C1或C2兩端電壓的兩倍。

　　[t1～t2]階段，開關(guān)管S1、S2同時關(guān)斷。電感電流分別通過C1、D1與C2、D2向負(fù)載放電，如圖9所示。

圖9 S1、S2同時關(guān)斷時工作原理圖

　　[t2～t3]階段，S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通。電感L1儲存的能量通過D3、D1釋放給C2、Co，這時電路工作狀態(tài)與圖7所示相同，且C1、C2通過D3串聯(lián)，同時與Co通過D1并聯(lián)，電感L2繼續(xù)導(dǎo)通并儲存能量。

　　[t3～t4]階段，開關(guān)管S1、S2同時關(guān)斷，系統(tǒng)狀態(tài)與[t1～t2]階段相同。

　　在電感電流連續(xù)模式下，占空比小于0.5時，設(shè)L1=L2=L，C1=C2=C，UC1=UC2=U，UCo=Uo，根據(jù)以上狀態(tài)分析，在[t0～t1]時間段內(nèi)，電感L1兩端電壓為Uin，在[t2～t3]時間段內(nèi)，電感L1兩端電壓為UC2-Uin，在[t3～t4]與[t2～t3]時間段內(nèi)，電感L1兩端電壓為UCo-UC1-Uin，由磁鏈?zhǔn)睾愕茫?/p>

　　根據(jù)式(8)、(9)可得：

　　輸出電壓Uo為UC1與UC2之和：

　　因此，在電感電流連續(xù)的狀態(tài)下，無論占空比大于還是小于0.5，輸出電壓與輸入電壓關(guān)系都滿足式(11)。

　　2 仿真驗(yàn)證

　　為了分析驗(yàn)證上述電路的工作原理，本文選用PSIM 軟件進(jìn)行仿真。電路參數(shù)選擇如下：Uin=25V，Uo=200 V，L1=L2=200μH，C1=C2=Co=200μF，開關(guān)頻率為50 kHz，輸出功率為1 000 W。電感、電容的參數(shù)大小由式(12)、(13)、(14)確定。

　　式中，ΔlL1為電感L1的電流紋波。

　　式中，ΔUC1為電容C1的電壓紋波，Iin為輸入電流。

　　ΔUo為輸出電壓的紋波。

　　下文的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所分析的電路工作原理。圖10所示為穩(wěn)態(tài)下開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動波形，從圖中可以看出占空比為0.75，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

圖10

　　圖11、12所示為開關(guān)管電流IS1、IS2與二極管電流ID3、ID4的波形圖。由圖可見仿真波形與圖4所示的開關(guān)管、二極管理論分析波形一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。圖13、圖14為輸入電感L1、L2和輸出電壓Uo波形圖。由公式(12)、(14)可得，理論電感電流、輸出電壓紋波分別為1.875 A、0.125 V。

圖11　開關(guān)管S1、S2電流波形圖      圖12 二極管D3、D4電流波形圖

圖13　電感L1、L3電流波形圖                  圖14　輸出電壓波形圖

　　3 結(jié) 論

　　本文詳細(xì)分析了非隔離Boost電路的升壓比受到限制的原因，研究了一種高升壓比交錯并聯(lián)Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此電路結(jié)構(gòu)可以在不采用變壓器的條件下，有效地提高輸入輸出電壓比。文中主要對電路的工作過程和其主要參數(shù)進(jìn)行了分析研究，并由仿真實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。通過分析可知，采用該電路結(jié)構(gòu)比采用普通Boost電路，升壓比提高了2倍，極大地?cái)U(kuò)大了非隔離式Boost電路的應(yīng)用范圍。