電機如何實現(xiàn)從低壓到高壓轉變？

如果需要從低電壓生成高電壓，可采用升壓轉換器。它是三種基本開關穩(wěn)壓器拓撲中的一種，僅需兩個開關、一個電感以及輸入和輸出電容。除了升壓轉換器以外，其他基本拓撲結構還包括降壓轉換器和反相降壓-升壓轉換器。圖 1 顯示了升壓轉換器的原理圖。在導通期間，開關 S1 閉合，電能存儲在線圈 L中。電感電流隨輸入電壓與地電位之間的差值線性增加；也就是說，隨輸入電壓而增加。在關斷期間，當 S1 開啟且 S2 閉合時，存儲在電感中的電能提供至輸出端。電感兩端的電壓在此時間段內等于輸出電壓減去輸入電壓。

圖 1. 用于從低電壓生成高電壓的升壓拓撲。

要使這種相互作用生效，必須具有足夠的時間供電感充電和放電。通過控制環(huán)路時，可以進行如下想象：當輸出端需要更多電能時，必須從輸入端獲取更多的電能傳送至輸出端。因此，必須有更多的電能臨時存儲在電感中。開關 S1 也需要更長的導通時間。然而，對固定開關頻率而言，這導致可用于從電感獲得電能的關斷時間更短。因此，輸出電壓降至設定目標值以下。這對升壓拓撲來說尤其是一種限制。采用該拓撲，輸出電壓超出可用輸入電壓的水平受到限制。在典型應用中，這一最大升壓因數(shù)介于 3 至 7 之間。

圖 2. 最大可能升壓因數(shù)取決于電感電阻 DCR （直流電阻）。

圖 2 所示的曲線說明了最大可能升壓因數(shù)與對應占空比之間的典型關系。具體曲線依據(jù)升壓轉換器輸出端的負載電阻與電感的直流電阻之間的關系而變化。圖 2 所示的示意圖選用的負載電阻為 100 Ω。對于 48 V 的輸出電壓而言，這相當于 480 mA 的負載電流。當電感的串聯(lián)電阻 (DCR) 對應 2 Ω 時，可能實現(xiàn)的最大升壓因數(shù)只比 3 略高一點。當 DCR 為 1 Ω 時，可實現(xiàn)的升壓因數(shù)略高于 5。如果需要更高的升壓因數(shù)，必須選擇具有最低串聯(lián)電阻值的電感。

圖 3. 用于從低輸入電壓生成極高輸出電壓的兩級式概念。

如果應用中需要更高的升壓因數(shù)，那么兩級式概念也是一種選擇。ADI 公司的新型 LTC7840 在單芯片中包含兩個升壓控制器，可輕松實現(xiàn)兩級式升壓概念。圖 3 顯示了一個從 12 V 電源電壓升壓至 240 V 輸出電壓的例子。兩個升壓級可分步提升電壓，使每一級僅需將電壓提升 4.5 倍左右。

結論

本文介紹了一個兩級式概念，它可實現(xiàn)比單級式概念高得多的升壓因數(shù)。當然，也可選擇基于變壓器的拓撲以顯著提高輸入電壓。例如，反激式轉換器就是一種常見拓撲。但是，如果無需電流隔離，兩級式升壓概念與反激式轉換器相比則具有一些優(yōu)勢。它無需又大又貴的變壓器，因為開關頻率不再受限于變壓器磁芯中的損耗，并且電源負載是連續(xù)負載而非脈沖負載。因此，在許多應用的選擇過程中應考慮兩級式升壓概念。