一種大升壓比四端組合DC/DC變換器分析與仿真

[編者按]本文巧妙地將Boost變換與Buck－Boost變換結合起來，使其升壓比提高為Boost變換的（1＋D）倍，達到（1＋D）/(1－D)倍，此結果有創(chuàng)見，故作為學術篇推薦給廣大讀者。

一種大升壓比四端組合DC/DC變換器分析與仿真

Analysis and Simulation of a DC/DC Converter with High Step－ up

Ration Four－ terminal Combination

摘要：提出一種Boost、Buck－Boost四端組合升壓DC/DC變換拓撲結構；從理論上證明其升壓比（增益）是Boost變換器的（1＋D）倍。仿真結果表明，該電路具有結構簡單、控制方便的優(yōu)點；并可實現(xiàn)無紋波傳遞。對于中小功率電源有較好的應用前景。

關鍵詞：Boost變換器升壓比Buck－Boost變換器

1引言

　　BoostDC/DC變換器電路以其固有的升壓特性和電路拓撲的簡單而受到重視，并得到越來越多的使用。在許多場合都要求在低輸入電壓的情況下，輸出盡可能高的直流電壓。傳統(tǒng)的BoostDC/DC變換器只具有（D：占空比）的升壓比，因此有時不得不采用附加電路的方法來獲得更高的升壓比[1]。本文提出一種電路結構簡單、控制方便的四端組合式升壓DC/DC變換器，理論上它具有的升壓比。同時，本文對其進行了分析和仿真。

2原理概述

　　主電路如圖1所示，其中負載RO左側為一BoostDC/DC變換器，右側為一Buck－BoostDC/DC變換器，因此當電路工作于連續(xù)導通模式（CCM）時，

圖1

圖2

　　式中：D=Ton/T,見圖2，可見與傳統(tǒng)的BoostDC/DC變換器相比，本電路具有更高的升壓比，且電路是一個四端結構。

3主要參數(shù)分析

　　為了分析方便，作如下假設：①元器件是理想的;②輸出電壓UO無紋波。在圖1所示的主電路中V1、V2代表高頻開關管，VD1、VD2是續(xù)流二極管。V1、V2的驅動信號相同，電路工作于兩種狀態(tài)：

圖3

　?。?）t0－t1時段。V1、V2同時導通，等效電路如圖3所示，這時Ui分別加在L1、L2兩端，故iL1、iL2線性上升，電感L1、L2貯存能量，

同時由于開關管V1、V2導通，VD1、VD2受反壓而截止，因此C1、C2放電釋放能量，給負載提供工作電流，U1（正值）下降，U2（負值）上升。

　　（2）t1－t2時段。V1、V2同時關斷，等效電路如圖4所示，這時，由于L1、L2的電流iL1、iL2不能突變，故VD1、VD2導通續(xù)流；同時C1、C2分別被充電而貯能，U1（正值）上升、U2（負值）下降。L1、L2釋放在Ton期間貯存的能量，所以iL1、iL2線性下降。忽略二極管壓降，L1、L2兩端分別加有－（U1－Ui）和－U2的電壓，

圖4

由式（8）及（9）可得輸出電壓為：即升壓比，可見該電路的升壓比是傳統(tǒng)Boost電路的1＋D倍。具體工作波形如圖5所示。

圖5

　?。?）零紋波的實現(xiàn)。由圖5及圖3可知在V1、V2導通期間有下式成立：

UL1=Ui(11)

UL2=Ui(12)

同理，由圖5及圖4可知在V1、V2關斷期間有下式成立：UL1=－(U1－Ui)(13)

UL2=－U2(14)

綜合式（11）、（12）、（15）、（16）可知，不論在開關管導通期間，還是截止期間，電感L1、L2上的電壓UL1、UL2都相同；因此可以用一個集成耦合電感器代替L1、L2，從而實現(xiàn)零紋波工作。具體推證詳見文獻[3][4]。

4仿真結果

　　為了檢驗理論分析的正確性，應用PSPICE電路仿真軟件對電路進行了仿真分析，仿真波形如圖6及圖7所示。其中Ui=48V、L1=L2=1000μH、C1=C2=100μF、RO=30Ω、開關頻率f=20kHz、D=0．7。

圖6為負載及電容的電壓波形

圖7為局部細圖。

5結論

本文從理論和仿真兩個方面對該電路進行了分析、驗證，表明該電路具有可行性。相對于傳統(tǒng)的BoostDC/DC變換器而言，該電路具有更大的升壓比，可達；并且兩個開關管驅動信號一致，不存在死區(qū)問題，控制方便。由于負載RO跨接在電容C1、C2兩端，因此增大C1、C2的值可明顯減小輸出電壓UO的紋波，從而可免去濾波器的設計，并推證了該電路可實現(xiàn)零紋波輸出。所以，該電路可應用于中小功率電源，適用于體積要求比較小的情況，從而實現(xiàn)電源的小型化。

參考文獻：

1羅方林，羅氏變換器新型DC/DC升壓型（Boost）變換器電路系列，電源技術應用，1998（1）P.30～39

2張占松，蔡宜三，開關電源的原理與設計，北京：電子工業(yè)出版社，1999,P.21～32

3 S.Cuk,General Toplogical Properitic of Switching Structures,IEEE PESC Record ， June,1979,p.18～ 22

4 S.Cuk,A new zero－ ripple Switching DC/DC Converter and integrated Magnetics ， IEEE PESC,1980,p.507～ 520