帶有倍壓器的升壓轉(zhuǎn)換器工作原理

打印機(jī)、基于激光的光纖系統(tǒng)和帶電粒子空氣過(guò)濾系統(tǒng)等應(yīng)用需要數(shù)百甚至數(shù)千伏的低功率電壓。反激式轉(zhuǎn)換器和自耦變壓器升壓是合理的拓?fù)溥x擇，但需要定制變壓器并且需要不太理想的高壓組件。一個(gè)帶有電壓倍增器的簡(jiǎn)單升壓轉(zhuǎn)換器可以解決這些問(wèn)題。它使用標(biāo)準(zhǔn)電感器、低壓元件，并且可以在不連續(xù)模式 （DCM） 下提供較大的升壓比。

帶有倍壓器的升壓轉(zhuǎn)換器如何工作？

下圖詳細(xì)介紹了具有倍壓器的升壓轉(zhuǎn)換器的兩種工作模式。升壓轉(zhuǎn)換器本身包含以下組件：L1、Q1、D3 和 C3。假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)換器正在調(diào)節(jié)時(shí)，每個(gè)輸出電容器（C2、C3）都充電到 VOUT/2。該圖上半部分的綠色箭頭顯示了 FET 開(kāi)啟時(shí)的電流路徑。這允許能量傳輸電容器 C1 充電至大約 VOUT/2 的電位，因?yàn)?a target="_blank">二極管 D1 和 D3 是反向偏置的。在此期間，C2 和 C3 單獨(dú)為負(fù)載提供電流。

當(dāng) FET Q1 關(guān)閉時(shí)，電流現(xiàn)在遵循紅色箭頭所示的路徑。在下部路徑中，電流從電感器流出，通過(guò) D3 將 C3 再充電至 VOUT/2。由于 D3 導(dǎo)通，F(xiàn)ET 漏極電壓被鉗位至 VOUT/2?，F(xiàn)在 C1，之前充電到 VOUT/2，將它的一些能量通過(guò) D1 轉(zhuǎn)移到 C2，也將其重新充電到 VOUT/2。C2 和 C3 電壓之和為 VOUT。在此期間，C2 和 C3 正在充電，電感器為負(fù)載提供電流。

在這種配置中，升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)設(shè)計(jì)為提供 VOUT/2，但輸出電流是輸出電流的兩倍。這種電路配置將整流二極管、輸出電容器、能量傳輸電容器和 FET 上的電壓應(yīng)力降低到 VOUT/2——這是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。然而，F(xiàn)ET 和電感器將在幾乎相同的峰值電流和占空比下工作，就像沒(méi)有倍增器時(shí)一樣，因?yàn)檩敵龅目偣β蕸](méi)有變化。

下面是一個(gè)示例電路，它采用圖 1 的倍頻器級(jí)，并通過(guò)添加一個(gè)額外的級(jí)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)三倍器。作為乘法器的三倍，每個(gè)功率級(jí)組件將以輸出電壓的 33% 運(yùn)行，或 200 V 輸出時(shí)最大 67 V。這允許使用常見(jiàn)的 100 V 組件，提供足夠的 67% 降額。該電路中的乘法器級(jí)可以根據(jù)需要按比例放大，以進(jìn)一步降低相同輸出電壓的電壓應(yīng)力，或簡(jiǎn)單地增加輸出電壓。

以下是示例電路中 TP1、TP2 和 TP3 在滿負(fù)載和 15 V 輸入下的開(kāi)關(guān)波形。正如預(yù)期的那樣，下面的波形是設(shè)置為 67 V 的典型 DCM 升壓轉(zhuǎn)換器的波形。上面的兩個(gè)波形在形狀上與第一個(gè)波形相同，但乘法器級(jí)將電平移位了 67 V 和 134 V。然后 D1 對(duì)頂部波形 （TP3） 進(jìn)行峰值檢測(cè)，以將輸出電容器充電至 200 V 輸出電壓。

上圖顯示了一個(gè)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它具有乘法器組件的交替排列以產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。操作類似于圖 1。

當(dāng) FET Q1 開(kāi)啟時(shí)，輸入電壓施加在 L1 上，存儲(chǔ)能量，而 C1 充電至 |VIN+VOUT/2| 通過(guò) D2。C1 上的能量傳輸電容器電壓高于升壓轉(zhuǎn)換器上的電壓。Q1 關(guān)閉后，L1 中的電流迫使 D1 導(dǎo)通，就像在標(biāo)準(zhǔn)反相降壓-升壓中一樣，將 D1 的陰極電壓拉至 –VOUT/2。在該轉(zhuǎn)換中，D3 導(dǎo)通，將存儲(chǔ)在 C1 中的電荷轉(zhuǎn)移到 C3 中。雖然 C2 和 C3 上的電壓不相等，但它們的輸入電壓幅度不同。因此，對(duì)于低輸入與高輸出電壓比，這種差異通常是微不足道的。

在此應(yīng)用中，P 溝道 FET 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗褂玫?a target="_blank">控制器只需要針對(duì)最大輸入電壓進(jìn)行額定，因?yàn)樗缘貫閰⒖肌Ｊ褂?P 溝道 FET 時(shí)不需要連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。這對(duì)于 N 溝道 FET 來(lái)說(shuō)是必需的，并且由于大多數(shù)降壓控制器限制在 100 V 以下，這分別限制了負(fù)輸出電壓。無(wú)論使用何種控制器，必須使用運(yùn)算放大器 （op amp） 對(duì)檢測(cè)到的負(fù)輸出電壓進(jìn)行反相，以提供正反饋電壓以進(jìn)行調(diào)節(jié)。