邢 迪

（寧波三星醫(yī)療電氣股份有限公司，浙江寧波315000）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，電力行業(yè)飛速發(fā)展。在電力終端表中，需要使用開關(guān)電源變換后為系統(tǒng)供電，傳統(tǒng)的Boost變換器難以滿足較大的升壓差。所以，在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，實現(xiàn)高效率和高增益的電壓變換，已經(jīng)成為開關(guān)電源的研究熱點。

1 工作原理分析

傳統(tǒng)Boost變換器由電感、電容、二極管和開關(guān)器件組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)Boost變換器

用兩個電感和三個二極管構(gòu)成的開關(guān)電感支路代替?zhèn)鹘y(tǒng)變換器中的單一電感，通過二極管的導(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)兩個電感的并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，由此可以得到如圖2所示的開關(guān)電感Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 開關(guān)電感Boost變換器

該變換器中，通過開關(guān)器件SW1的導(dǎo)通和關(guān)斷動作可以調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到升壓的目的，且升壓增益要高于傳統(tǒng)Boost變換器。需要說明的是，該結(jié)構(gòu)中需要兩個電感值大小相等，從而保證電感在并聯(lián)充電和串聯(lián)放電過程中的電壓值大小相等，即：

開關(guān)電感Boost變換器的等效電路如圖3所示。

2 連續(xù)導(dǎo)通模式下工作特性

當(dāng)開關(guān)器件SW1導(dǎo)通時，二極管D1和D3導(dǎo)通，二極管D2和D4被迫截止，其等效電路如圖3（a）所示。此時，兩個電感為并聯(lián)關(guān)系，且處于充電狀態(tài)，其電壓值分別為：

圖3 等效電路

當(dāng)開關(guān)器件SW1關(guān)斷時，二極管D2和D4導(dǎo)通，二極管D1和D3被迫截止，其等效電路如圖3（b）所示。此時，兩個電感為串聯(lián)關(guān)系，且處于放電狀態(tài)，其電壓值分別為：

設(shè)開關(guān)器件SW1的開關(guān)周期為T，導(dǎo)通時間為T1，關(guān)斷時間為T2，且T1+T2=T，則直通占空比D=T1/T。在一個周期內(nèi)，兩個電感的電壓平均值為0[1]，結(jié)合方程式（1）～（4）可以得到：

2.1 電壓增益

G為開關(guān)電感Boost變換器的電壓增益，則其表達(dá)式為：

由公式（7）可知：在占空比1增大時，電壓增益G也會增大，從而實現(xiàn)變換器的升壓功能。傳統(tǒng)Boost變換器的電壓增益為：，對比電壓增益G與Gboost之間的大小關(guān)系，圖4給出了相應(yīng)的關(guān)系曲線圖。

由圖4和公式（7）可知，電壓增益G表達(dá)式的分子由1變成了1+D，并且隨著直通占空比D的增加，這種優(yōu)勢會更加明顯。

2.2 開關(guān)器件的電壓和電流應(yīng)力

由方程式（6）可以得出輸出電流的表達(dá)式：

根據(jù)功率守恒原理可以分別得到輸入電流和電感電流的表達(dá)式：

圖4 開關(guān)電感Boost變換器與傳統(tǒng)Boost變換器增益比大小對比

分析開關(guān)電感Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)可知：和傳統(tǒng)Boost變換器相同，開關(guān)器件SW1的電壓應(yīng)力大小等于輸出電壓：

各個二極管的電壓應(yīng)力分別為：

在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，一個周期內(nèi)的電感電流波形如圖5（a）所示，輸出電壓波形如圖5（b）所示。

圖5 電感電流和輸出電壓波形

分析圖5可以得出電感L1和L2的電流值為：

則開關(guān)器件SW1的電流值為：

當(dāng)t=DTs時，根據(jù)式（9）和（10）可得開關(guān)器件SW1的電流應(yīng)力為：

四個二極管的電流應(yīng)力為：

由方程式（8）～（11）可以得出：開關(guān)器件SW1所承受的電流和電壓應(yīng)力都較大，二極管D1、D2和D3的電壓應(yīng)力較小，而D4的電壓應(yīng)力相對較大。

由方程式（16）～（18）可以得出：各個二極管的電流應(yīng)力相對較小，所以導(dǎo)通損耗也較小。

3 仿真結(jié)果分析

為了體現(xiàn)開關(guān)電感Boost變換器相比較傳統(tǒng)Boost變換器所具有的優(yōu)越性能，利用Matlab/Simulink仿真軟件對該變換器進(jìn)行仿真試驗分析[2]。設(shè)定仿真參數(shù)：輸入直流電壓Vin=10 V，電感L1=L2=200 μH，輸出濾波電容Cf=100 μF，開關(guān)頻率fs=100 kHz，各元器件的仿真波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓仿真波形

由圖6可以看出，隨著占空比增加，輸出電壓值也在不斷升高，與前面的理論分析相符，說明了開關(guān)電感Boost變換器具有高升壓能力。

圖7給出了開關(guān)器件在不同占空比下的電壓值大小，可以看出開關(guān)器件的電壓值基本等同于開關(guān)電感Boost變換器的輸出電壓值大小，表明了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力相對比較大，與理論分析結(jié)構(gòu)相符。

圖7 開關(guān)器件電壓仿真波形

由圖8可以看出二極管D1和D3的電壓值基本相同，其值小于開關(guān)電感Boost變換器的輸入電壓值，表明二者的電壓應(yīng)力相對是比較小的，與前面的理論分析相符。

圖9中二極管D2的電壓值大小是恒定的，其值基本等同于開關(guān)電感Boost變換器的輸入電壓值，電壓應(yīng)力相對比較小，符合前面的理論分析結(jié)果。

圖10中二極管D4的電壓值相對來說是比較大的，其值基本上等同于開關(guān)電感Boost變換器的輸出電壓值，具有較大的電壓應(yīng)力，符合理論分析結(jié)果。

圖8 二極管D1和D3電壓仿真波形

圖9 二極管D2電壓仿真波形

圖10 二極管D4電壓仿真波形

綜上所述，在相同占空比下，開關(guān)電感Boost變換器的輸出電壓值要大于傳統(tǒng)Boost變換器，并且隨著占空比的增加，其具有更明顯的高升壓優(yōu)勢。同時，也分析了開關(guān)器件和所有二極管的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，表明了影響開關(guān)電感Boost變換器工作效率的主要因素是開關(guān)器件和二極管D4的導(dǎo)通損耗。另外，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真存在著一定的誤差，但都在允許范圍內(nèi)[3]。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)Boost變換器的升壓能力不足，將開關(guān)電感結(jié)構(gòu)嵌入其中，提出開關(guān)電感Boost變換器（SIBC），詳細(xì)闡述了其在連續(xù)導(dǎo)通下的工作原理。仿真結(jié)果表明，其升壓能力強(qiáng)于傳統(tǒng)Boost變換器，并且占空比越大，這種優(yōu)勢越明顯，且輸入電壓利用率高、開關(guān)器件應(yīng)力低。