集成双升Boost电路的充电器设计

周作辉 方益

摘  要：常规的充电器一般是用从AC电路变成DC电路，然后由DC电路进行进一步转换得来，一般有两种拓扑：一种是Boost电路或者Buck电路，直接通过电感外加二极管进行电压的转换，这种方式不带隔离;一种是带隔离变压器的转化器，一般是通过反激电路或者正激电路来实现。一般设计人员都会熟悉地应用到这两种方式，但在如今越来越要求体积小的场合下，上述两种设计方案设计出的充电器都过于笨重，占用体积过大而使得在特定的机器结构中无法实现。本文在这里提出一种新的实现方案，可以在尽量小的空间中，特别是在UPS中，在本就存在的双升Boost电路的基础上，集成一种充电器的方案。

关键词：双升Boost电路;AC电路;DC电路

中图分类号：TM910.6;TM46       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）15-0027-03

Integrated Dual Boost Circuit Charger Design

ZHOU Zuohui，FANG Yi

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：The general charger is generally used from AC circuit to DC circuit，and then the DC circuit for further conversion，there are two topologies：one is Boost circuit or Buck circuit，directly through the inductor diode voltage conversion，this way without isolation;One is the converter with isolation transformer，generally through the back circuit or forward circuit to achieve. Both of these methods are familiar to designers，but in today’s increasingly small-size environment，both of these charger designs are too bulky and take up too much space to be implemented in specific machine structures. In this paper，a new implementation scheme is proposed to integrate a charger scheme in a small space，especially in UPS，on the basis of the existing dual Boost circuit，a scheme of integrating a charger is proposed..

Keywords：dual Boost circuit;AC circuit;DC circuit

0  引  言

在常规的UPS或者充电系统电源中，在自带PFC功能的双升Boost电路中，可以充分利用Boost电路原本就存在的电感器、BUS电容，还有额外增加部分电路来完成一种充电器的设计。本电路需要增加多两个重要的辅助二极管、两个MOS管或者IGBT等功率器件来完成充电功能，此外还需要一些保护电路来保证充电电路的完整。具体描述为：一种电路（如图1所示）转化器耦合至AC/DC转换器，一个备用电池端，第一、第二电容元器件，第一、第二电感元器件（PFC自带）。该电路转化器可以配置为：在该电路的工作组合下，在AC电源转化为DC正电压的工作期间，可以通過第一电感元器件，将AC电源转化成DC正电压的同时[1]，通过第二电感元器件利用存储在第二电容器中负的DC电压为备用电源提供充电电压。同样在本电路的操作下，即AC电源通过第二电感元器件转化为DC负电压的同时，通过第一电感元器件使用存储在第一电容元器件中的DC正电压来为备用电源提供充电电压。在上面所说的工作组合下，就可以利用双升Boost电路来完成一种集成充电器的设计和实现。

1  集成双升Boost电路系统组成

该电力转换器必须包括一个输入连接器和中性输入连接点的AC输入源。该AC电力输入端被配置为接收的AC输入电压源。该电力转化器还包含了一个被配置为相对中性输入连接端的正的DC电压的第一电容元器件，还有一个被配置为相对中性输入连接端的负的DC电压的第二电容元器件，以及具有转化正DC电源的第一电感元器件和转化为负DC电源的第二电感元器件[2]。该电路转化器还包括了一个连接着第一端连接点和第二连接点并且无中心连接点的电池。该电力转化器电路可以耦合到输入AC电源端。除此之外，该电路转化器还包含了一个充电器，可以由正的DC电压或者负的DC电压在对应的配合下源源不断地为上述提及的充电器进行充电。

2  集成双升Boost电路系统工作原理

（1）在集成了Boost双升电路的充电器设计方案中，首先我们来分析当市电处于正向电压的时候：此时输入AC电压为正，在正向的Boost电路中，Q22、Q24、Q26三个并联的IGBT同时开通，正向电流从AC端流过第一电感元器件L1，再流过并联的三个功率器件Q22、Q24、Q26，再流到N点中性连接点;在这个过程中，AC输入电压源被第一电感元器件L1限流，同时在L1中储存了能量。

（2）紧接着并联的Q22、Q24、Q26同时关断，第一电感元器件L1上的电压反向，随后AC输入电压加上第一电感元器件L1上的反向电压同时向正的DC电压充电，此时电流由AC输入端流向第一电感元器件L1、续流二极管D33、+BUS电容，再流到N点中性连接点。

（3）同时在输入AC电压源向+DC电压充电的同时，充电器开始了充电过程：Q24MOS管处于PWM开关斩波状态，而位于Q24下端的Q25则在市电的正半周期区间，一直处于ON开通的状态;当Q24处于ON开通的状态时，AC输入电压源经过Q24，再流经Q25，再留经第二电感元器件L2，再经过辅助的反向续流二极管D20导通，最终再流到N点中性连接点。在此过程中，Q23、Q25、Q27一直处于关断OFF的状态，D35由于两端电压反向而一直处于关断的状态。此时通过Q24的导通，AC输入电压源不仅对正半周的第一电感元器件L1进行了充电，也对本来只负责负半周升压的第二电感元器件L2进行了充电。这个过程与常规的Boost电路不同的地方就在于：常规的Boost电路只能由输入电压源对第一电感元器件或者第二电感元器件其中一个充电，但在本集成充电器的设计方案中，输入电压源可以同时对第一电感元器件和第二电感元器件充电，其中一个电感元器件的功能是实现升压功能，向BUS充电;而另一个电感元器件的充电则可以被利用来为充电器充电。

（4）随后当Q24关断的时候（如图2所示），第二电感元器件上的L2两端电压反向，表现为左负右正，随后电流由L2流向辅助的充电二极管D16、充電电源的正端导通二极管D19、充电电源的正端BAT+输入端，流过充电电源的内部，再经过充电电源的负端BAT-流出，然后再经过充电电源的负端导通二极管D23，经过充电器保护二极管D22、保护晶闸管Q27，再通过一直处于开通状态的Q25回到第二电感元器件，完成一个充电的完整过程。此时由于Q24已处于关断的状态，所以AC输入电压源不会干扰到整个充电回路的正常工作。

（5）当输入AC电压为负压的时候，在负向的Boost电路中，换成了处于下半位置的Q23、Q25、Q27三个并联IGBT同时开通，负电流从N点中性连接点，流向Q23、Q25、Q27，再经过第二电感元器件L2，最后路过整流作用的晶闸管Q20再流回到AC输入电压源。在这个过程中，第二电感元器件L2发生限流动作，并且同时储存了能量。

（6）紧接着刚才处于开通的三个并联IGBT——Q23、Q25、Q27同时关断，第二电感元器件L2两端电压发生了反转，此时电流从N点中性连接点经过负的DC电压源，到负BUS，再经过负半周的续流二极管D35，流过第二电感元器件L2，经过整流晶闸管Q20回到AC输入电压源，完成一个完整周期的负BUS充电过程。

（7）在输入AC电压为负压的这段时间区间中，充电器同时也在工作：此时Q24由PWM开关状态变成了一直ON的状态，而刚才一直处于ON状态的Q25 MOS管则变成了PWM斩波开关管。当Q25处于ON开通状态的时候，充电电流从N点中性连接点通过辅助二极管D18进行续流，然后通过第一电感元器件L1，再经过Q24、Q25、Q20完成一个完整的充电回路，此电流对第一电感元器件L1进行储能。

（8）当Q25变成关断OFF状态的时候（如图3所示），此时第一电感元器件L1两端电压反转，第一电感元器件会将感应电压释放，对充电电源进行充电，具体回路如下：L1此时两端电压反转变成了左正右负，充电电流流过Q24、晶闸管Q26、二极管D21、保护二极管D19、充电电源BAT+、充电电源内部、充电电源BAT-，再流到保护二极管D23、续流二极管D17完成一次充电过程。

3  结  论

本文给出了一种在双升Boost电路的基础上集成充电器的设计方式，设计方式新颖实用，具有很高的可操作性。这不仅仅是一种新的充电器设计思路，也是一种更加符合当今要求体积越来越小的机器设计方案，在成本上有巨大的优势，充电可靠性也非常高，值得有兴趣的工程师实践设计与运用。

参考文献：

[1] Colonel William T McLyman.Transformer and Inductor Design Handbook [M].CRC Press，2011.

[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术 [M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

作者简介：周作辉（1991.04-），男，汉族，广东汕头人，本科，研发工程师，研究方向：大功率电源开发与设计。