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DC-DC变换之BOOST拓扑电路

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blust5|  楼主 | 2022-12-30 10:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
众所周知,改变电压值最方便的就是交流电,通过变压器可以方便的改变电压值大小。

但是如果源电压和目标电压都是直流的话,通过变压器的方式就很麻烦:需要先转换成交流,改变电压之后再转换成直流,需要经过两次交直流转换。

有没有直接直流转直流的电压变换电路呢?当然有!这就是DC-DC变换电路。

DC-DC电路又叫斩波电路,为什么是这个名字呢?因为这个电路的工作原理是通过开关的控制把源电压分成一段一段的能量送到输出端,就像是把输出波形斩成了一段一段的,因此叫斩波电路。通过开关的斩波控制,再加上能量器件(电感、电容)的存储与释放,达到改变输出端电压值的目的。

基本的斩波电路有六种:降压斩波(buck)电路,升压斩波(boost)电,升降压斩波(buck-boost)电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路,Zeta斩波电路,其中前两种斩波电路是最基本的斩波电路。下面主要讲一下升压斩波电路,也就是boost电路。


顾名思义,boost电路的功能是升压,即输出电压比输入电压更高。boost电路主要应用于直流电动机传动、单相功率因数校正(PFC)电路及其他交直流电源中。

下图为boost电路最基本的拓扑图。
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boost电路有两种工作过程:充电过程和放电过程。通过控制中间的开关器件来切换两个工作过程。

在分析两个工作过程切换工作之前,先假定中间的开关器件已经断开很久,其他器件已经运行到稳态,此时输出电容上的电压等于输入电压(假定所有器件均为理想器件,忽略电感和二极管的压降)。

充电过程:中间的开关器件导通,Vin直接给电感充电,理论上电感上的电流会以一定的比率持续线性增加。此时二极管的作用是防止电容直接对地放电。
等效电路图如下,导通的开关器件以导线代替。
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放电过程:开关器件断开,由于电感器件的电流保持特性,电感上的电流不会直接变为0,而会由开关断开瞬间的值缓慢变为0。但是此时原来的放电回路已经断开,因此电感只能通过其他路径放电,这个新的放电路径就相当于再给输出电容充电,输出电容两端的电压会持续升高,此时已经比输入电源的电压高了。
等效电路如下,断开的开关直接隐去。
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通过控制开关器件以一定频率进行开关动作,电感持续进行充电——放电(给电容充电)过程,输出端会得到一个比输入端大的电压值。通过增加滤波电路可以将波动过滤,获得稳定的高于输入电压的一个输出电压值。

那如何控制输出电压的具体值呢?有三种方式:一种是控制开关周期不变,改变导通与关断的时间占比,即改变占空比的模式;第二种是导通时间不变,改变整个开关周期,即改变控制频率的模式;第三种就是两种参数都能改变的模式。

boost电路的大概工作原理了解了,那么如何设计出一个好的boost电路呢?首先要知道制约这个电路的关键点是什么,然后才能根据实际需求进行选型与调整。

制约boost电路的功率和效率的关键点主要是开关管、整流管以及电感损耗上。

电感不能选取磁通太小、导线太细的,否则无法存储足够能量,出现磁饱和(磁通太小),或者无法提供足够的瞬时功率(导线太细)。通常都需要很大的体积来实现这些参数。想要减小电感体积,可以通过提高电路的开关频率来实现。

整流管的选型不是最关键的,一般选取肖特基管即可,需要关注的参数是持续导通电流和导通压降。

开关管是关键器件,需要选取导通电阻尽量小的,并且能够承受足够的导通电流。同时如果为了减小电感体积而增加工作频率,开关管需要有足够的开关速度。

总体来说,开关管导通时,电源经由电感-开关管形成回路,电流在电感中转化为磁能贮存;开关管关断时,电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正,此电压叠加在电源正端,经由二极管-负载形成回路,完成升压功能。


既然如此,提高转换效率就要从三个方面着手:
1.尽可能降低开关管导通时回路的阻抗,使电能尽可能多的转化为磁能;
2.尽可能降低负载回路的阻抗,使磁能尽可能多的转化为电能,同时回路的损耗最低;
3.尽可能降低控制电路的消耗,因为对于转换来说,控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的,不能转化为负载上的能量。

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xu@xupt| | 2023-1-6 23:30 | 显示全部楼层
好文章,感谢分享,学习啦

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Top_Show| | 2023-1-29 13:52 | 显示全部楼层
好文章,学习了

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lvyunhua| | 2023-1-30 11:39 | 显示全部楼层
感谢分享

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