升壓式變換器的工作原理是什么？

升壓式DC/DC變換器，簡稱升壓式變換器，英文為BoostConverter，也稱Boost變換器，也是常用的DC/DC變換器之一。升壓式變換器能將較低的直流電壓變換成較高的直流電壓，例如將1.5V或3.7V電壓變換成12V或5V電壓。降壓式變換器的損耗較小，效率較高，主要應(yīng)用于由電池供電的便攜式設(shè)備，例如智能手機(jī)、智能水表和煤氣表等。

升壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-2-1所示。圖中U I 為直流輸入電壓，VT為功率開關(guān)管，VD為續(xù)流二極管（也稱升壓二極管），L為儲能電感（也稱升壓電感），C為輸出濾波電容，U O 為直流輸出電壓，R L 為外部負(fù)載電阻。脈寬調(diào)制器（PWM）用來控制功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通與關(guān)斷，是變換器的控制核心。

圖2-2-1升壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓式DC/DC變換器的工作原理

升壓式DC/DC變換器的功率開關(guān)管VT在脈寬調(diào)制（PWM）信號的控制下，交替地導(dǎo)通與關(guān)斷（也稱截止），相當(dāng)于一個機(jī)械開關(guān)高速地閉合與斷開，其工作原理如圖2-2-2所示。圖2-2-2（a）和圖2-2-2（b）分別示出了VT導(dǎo)通和關(guān)斷時的電流路徑，為了便于電路分析，圖中用開關(guān)S的閉合與斷開來代替VT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)VT導(dǎo)通（即S閉合）時，如圖2-2-2（a）所示，輸入電壓U I 直接加到儲能電感L的兩端，續(xù)流二極管VD截止。因為L上施加了U I 的電壓，使其電流I L 線性地增加，電感儲存的能量也在增加，電感的感應(yīng)電動勢為左“+”右“-”。在此期間，輸入電流（即電感電流I L ）提供的能量以磁場能量的形式存儲在儲能電感L中。同時濾波電容C放電為負(fù)載R L 提供電流I O ，電容C的放電電流I 1 與負(fù)載電流I O 相等。

圖2-2-2升壓式DC/DC變換器的工作原理

當(dāng)VT關(guān)斷（即S斷開）時，如圖2-2-2（b）所示，由于電感電流不能發(fā)生突變，因此在L上就產(chǎn)生左“-”右“+”的感應(yīng)電壓，以維持通過電感的電流I L 不變。此時續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，L上的感應(yīng)電動勢與U I 串聯(lián)，儲存在L中的磁場能量轉(zhuǎn)化為電能，以超過U I 的電壓向負(fù)載提供電流，并對輸出濾波電容C進(jìn)行充電。電感電流I L 為電容充電電流I 2 和負(fù)載電流I O 的總和。

小貼示

升壓式變換器是在功率開關(guān)管關(guān)斷時向負(fù)載傳輸能量，屬于反激型變換器。

升壓式DC/DC變換器的電壓及電流波形如圖2-2-3所示。PWM表示脈寬調(diào)制波形，t ON 為功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通時間，t OFF 為功率開關(guān)管VT的關(guān)斷時間。T為開關(guān)周期。U C 為功率開關(guān)管VT的集電極電壓波形。I C 為VT的集電極電流波形。I F 為升壓二極管VD的電流波形，I L 為電感電流波形。可以看出，功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時，其集電極電壓U C 為零；在VT關(guān)斷時，其集電極電壓U C 等于輸出電壓U O 。在功率開關(guān)管VT導(dǎo)通期間，電感電流線性增加；在VT關(guān)斷期間，電感電流線性減小。電感電流I L 是由VT的集電極電流I C 和升壓二極管VD的電流I F 疊加形成的。

圖2-2-3

升壓式DC/DC變換器具有以下特點。

① 輸出電壓U O 》U I ，故稱之為升壓式變換器。U O 與U I 的關(guān)系為U O =U I /（1-D），通過控制占空比D的大小就能改變輸出電壓。

② 輸出電壓U O 與輸入電壓U I 的極性相同。

③ 功率開關(guān)管VT承受的最大電壓U CE =U O 。

④ 功率開關(guān)管VT的集電極最大電流I C =I O /（1-D）。

⑤ 升壓二極管VD的平均電流I F =I O 。

⑥ 升壓二極管VD承受的反向電壓U R =U O 。

升壓式DC/DC變換器的集成電路產(chǎn)品有LM2577、MAX1599和LT3467等。

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