自耦式Boost DC/DC变换
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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。
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