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，U_o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=I_L      （2）

式中：I_L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I_L的形式，通过U₁、U_o和D₂续流放电，I_L衰减到零时，磁芯复位。

    磁芯复位的条件为

         U₁t_on=  （3）

式中：t_on、t_off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

      u_o1=U₂₁＋(U_OL－U₂₁)   （5）

式中：U₂₁=；

          τ₁=；

     U_OL为输出电压波动的下限。

    模态2时，输出电压的表达式为

       u_o2=U_OH  （6）

式中：U_OH=U₂₁＋(U_OL－U₂₁)为输出电压波动的上限；

         τ₂=CR_L；

      D为占空比，D=。

    则输出电压的平均值为

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

    式（7）表明：D与U_AV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：U_I=10V，U_o=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。