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(duì)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(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的損耗,，這些損耗可以等效為一個(gè)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(shí)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(cuò)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(cuò)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(shí),，系統(tǒng)工作原理時(shí)序如圖4所示,，PS1、PS2分別為開關(guān)管S1,、S2的驅(qū)動(dòng)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(gè)周期內(nèi)系統(tǒng)工作狀態(tài)如下：

　　[t0～t1]階段，S1,、S2同時(shí)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(chǔ)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(chǔ)存的能量通過D4,、D2釋放給C1,、Co，如圖6所示,。此時(shí)C1,、C2通過D4串聯(lián)，同時(shí)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(shí)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(chǔ)存的能量通過D3、D1釋放給C2,、Co,，如圖7所示。此時(shí)C1,、C2通過D3串聯(lián)，同時(shí)與Co通過D1并聯(lián),，L2繼續(xù)導(dǎo)通并儲(chǔ)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(shí),，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(shí),，開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)脈沖如圖8所示,。

圖8 占空比小于0.5時(shí),，開關(guān)管S1,、S2的驅(qū)動(dòng)脈沖

　　在一個(gè)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(chǔ)存的能量通過D4,、D2釋放給C1、C0,，這時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)關(guān)斷時(shí)工作原理圖

　　[t2～t3]階段，S1關(guān)斷,、S2導(dǎo)通,。電感L1儲(chǔ)存的能量通過D3、D1釋放給C2,、Co,，這時(shí)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(shí)與Co通過D1并聯(lián)，電感L2繼續(xù)導(dǎo)通并儲(chǔ)存能量,。

　　[t3～t4]階段,，開關(guān)管S1、S2同時(shí)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(shí),，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(shí)間段內(nèi),，電感L1兩端電壓為Uin,，在[t2～t3]時(shí)間段內(nèi)，電感L1兩端電壓為UC2-Uin,，在[t3～t4]與[t2～t3]時(shí)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(dòng)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(cuò)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(duì)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(duì)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。