开关电感Boost变换器的研究与分析

2018-10-24邢迪

机电信息 2018年30期

关键词：导通二极管电感

邢迪

（宁波三星医疗电气股份有限公司，浙江宁波315000）

0 引言

随着世界经济的发展和社会的进步，电力行业飞速发展。在电力终端表中，需要使用开关电源变换后为系统供电，传统的Boost变换器难以满足较大的升压差。所以，在满足系统可靠性的前提下，实现高效率和高增益的电压变换，已经成为开关电源的研究热点。

1 工作原理分析

传统Boost变换器由电感、电容、二极管和开关器件组成，其拓扑结构如图1所示。

图1 传统Boost变换器

用两个电感和三个二极管构成的开关电感支路代替传统变换器中的单一电感，通过二极管的导通和关断来实现两个电感的并联充电和串联放电，由此可以得到如图2所示的开关电感Boost变换器拓扑结构。

图2 开关电感Boost变换器

该变换器中，通过开关器件SW1的导通和关断动作可以调节占空比，从而达到升压的目的，且升压增益要高于传统Boost变换器。需要说明的是，该结构中需要两个电感值大小相等，从而保证电感在并联充电和串联放电过程中的电压值大小相等，即：

开关电感Boost变换器的等效电路如图3所示。

2 连续导通模式下工作特性

当开关器件SW1导通时，二极管D1和D3导通，二极管D2和D4被迫截止，其等效电路如图3（a）所示。此时，两个电感为并联关系，且处于充电状态，其电压值分别为：

图3 等效电路

当开关器件SW1关断时，二极管D2和D4导通，二极管D1和D3被迫截止，其等效电路如图3（b）所示。此时，两个电感为串联关系，且处于放电状态，其电压值分别为：

设开关器件SW1的开关周期为T，导通时间为T1，关断时间为T2，且T1+T2=T，则直通占空比D=T1/T。在一个周期内，两个电感的电压平均值为0[1]，结合方程式（1）～（4）可以得到：

2.1 电压增益

G为开关电感Boost变换器的电压增益，则其表达式为：

由公式（7）可知：在占空比1增大时，电压增益G也会增大，从而实现变换器的升压功能。传统Boost变换器的电压增益为：，对比电压增益G与Gboost之间的大小关系，图4给出了相应的关系曲线图。

由图4和公式（7）可知，电压增益G表达式的分子由1变成了1+D，并且随着直通占空比D的增加，这种优势会更加明显。

2.2 开关器件的电压和电流应力

由方程式（6）可以得出输出电流的表达式：

根据功率守恒原理可以分别得到输入电流和电感电流的表达式：

图4 开关电感Boost变换器与传统Boost变换器增益比大小对比

分析开关电感Boost变换器的电路结构可知：和传统Boost变换器相同，开关器件SW1的电压应力大小等于输出电压：

各个二极管的电压应力分别为：

在连续导通模式（CCM）下，一个周期内的电感电流波形如图5（a）所示，输出电压波形如图5（b）所示。

图5 电感电流和输出电压波形

分析图5可以得出电感L1和L2的电流值为：

则开关器件SW1的电流值为：

当t=DTs时，根据式（9）和（10）可得开关器件SW1的电流应力为：

四个二极管的电流应力为：

由方程式（8）～（11）可以得出：开关器件SW1所承受的电流和电压应力都较大，二极管D1、D2和D3的电压应力较小，而D4的电压应力相对较大。

由方程式（16）～（18）可以得出：各个二极管的电流应力相对较小，所以导通损耗也较小。

3 仿真结果分析

为了体现开关电感Boost变换器相比较传统Boost变换器所具有的优越性能，利用Matlab/Simulink仿真软件对该变换器进行仿真试验分析[2]。设定仿真参数：输入直流电压Vin=10 V，电感L1=L2=200 μH，输出滤波电容Cf=100 μF，开关频率fs=100 kHz，各元器件的仿真波形如图6所示。

图6 输出电压仿真波形

由图6可以看出，随着占空比增加，输出电压值也在不断升高，与前面的理论分析相符，说明了开关电感Boost变换器具有高升压能力。

图7给出了开关器件在不同占空比下的电压值大小，可以看出开关器件的电压值基本等同于开关电感Boost变换器的输出电压值大小，表明了开关器件的电压应力相对比较大，与理论分析结构相符。

图7 开关器件电压仿真波形

由图8可以看出二极管D1和D3的电压值基本相同，其值小于开关电感Boost变换器的输入电压值，表明二者的电压应力相对是比较小的，与前面的理论分析相符。

图9中二极管D2的电压值大小是恒定的，其值基本等同于开关电感Boost变换器的输入电压值，电压应力相对比较小，符合前面的理论分析结果。

图10中二极管D4的电压值相对来说是比较大的，其值基本上等同于开关电感Boost变换器的输出电压值，具有较大的电压应力，符合理论分析结果。

图8 二极管D1和D3电压仿真波形

图9 二极管D2电压仿真波形

图10 二极管D4电压仿真波形

综上所述，在相同占空比下，开关电感Boost变换器的输出电压值要大于传统Boost变换器，并且随着占空比的增加，其具有更明显的高升压优势。同时，也分析了开关器件和所有二极管的电压应力和电流应力，表明了影响开关电感Boost变换器工作效率的主要因素是开关器件和二极管D4的导通损耗。另外，利用Matlab/Simulink软件进行仿真存在着一定的误差，但都在允许范围内[3]。