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boost升压斩波电路 分析

如果通过开关间歇工作实现等效降压功能并不神奇,那么凭空升压直流电压Boost斩波电路体现了电力电子技术的精髓。电荷泵中的电容器给了我们一个有益的灵感,即电容器可以通过短时间充电来维持电压。如图1所示,电路构成 Boost 升压斩波电路的基本原理之一:峰值电压采样保持电路。1) 如图1所示,方波、正弦波和三角波通过二极管充电。无论电源是什么波形,电容器总是保持电压峰值。

图1 峰值电压保持电路

2) 如图2所示,峰值电压保持电路带负载后,负载越重,电压衰减越快。如果需要获得良好的峰值电压保持效果,则RC时间常数应远大于输入信号重复周期。

图2 负载对峰值电压维持电路的影响

对于 Boost 对于升压电路,峰值电压保持电路,下一步是如何获得短时间的高压。在三个基本元件中,电阻只能分为压力(降压)。电容器的特点是保持电压不变,只有电感器才能产生高压。在生活中,电感产生高压的例子,如各种开关和插头产生的电火花。1) 如图3所示,开关SW关闭时,电感L当断开时,1上的电流通过SW不允许电感电流突然下降到零。L1上产生于V1同方向的电压,试图保持电流不变。SW如果是半导体开关,很容易被击穿SW1是机械开关,所以L1上的高压会击穿导电的空气,从而产生电火花。

图3 电感产生高压电路

2) 通常电火花是有害的,电火花的温度足以局部熔化金属触点,但如果用峰值电压保持电路(图1)提取电感高压(图3),则如图4所示 Boost 升压斩波电路。

图4 Boost 升压斩波电路

使用稳态时,电感端电压平均值为零的特性也很容易得到 Boost 输入输出电压关系电路。1) 开关关闭合时,Boost 等效电路如图5所示(注意图中各电压的正方向),本阶段的电感电压表达式为:

(1)

图5 开关闭合时 Boost 等效电路

2) 在分析电力电子电路原理时,忽略了二极管导通压降,因此开关断开时,Boost 如图6所示,本阶段的电感电压表达式为:

(2)

图6 开关断开时 Boost 等效电路

3) 根据电感端电压平均值为零,可得式3,中D为空比(duty)。因为D小于等于1,所以 Boost 电路为升压电路,占空比越大,输出电压越高。

(3)图7分别从负载重量、电感大小和开关频率等方面进行 Boost 瞬时现象模拟电路。模拟时间段选择1s以后,显示电路完全稳定后的波形。

图7 开关断开时 Boost 等效电路

大电感轻负载。与 Buck 电路类似,大电感总是能保证电感电流连续。图8所示为 1mH电感、1kΩ负载时的 Boost 电路瞬时现象仿真,开关频率50kHz、占空比60%。1) 当电感L1电流连续时,开关SW1的电压波形VF1将是方波。开关闭合,VF1电压为零;开关断开后,二极管D1导通,VF1电压将比UO电压高出一个二极管管压降。图2中,开关断开后VF1电压为12.54V,比UO电压11.95V高出约0.6V,正好是D1的管压降。 2) SW1闭合时,电感L1储能,负载由C1供电,电压下降;SW1断开时,电感L1储向负载供电并对C1充电,UO电压上升;由于负载很轻(RL为1kΩ),所以UO的纹波非常小(约2mVpp)。C1等效串联电阻对输出纹波的影响可自行仿真分析。  

图8 大电感轻负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

3) 输出电压的理论值计算如式1所示,为12.5V,误差主要由二极管D1的管压降引起。因为公式1推导时将D1导通看成无压降的导线,考虑D1有0.6V的管压降(普通二极管),修正后的UO理论值是11.9V,与仿真值非常接近。  

 (1)如图9所示为大电感重负载情况下的瞬时现象仿真波形。输出电压出现很大的纹波(约为1.5Vpp)。1) 虽然电感电流连续,但由于 Boost 电路负载端(包括滤波电容和负载)电流不连续,所以当电感不对负载端供电时,负载的电流完全来自滤波电容。 2) 负载的轻重严重影响输出电压的纹波,简单说就是负载越重,纹波越大。  

图9 大电感重负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

3) 如图10所示,增大输出滤波电容C1可以减小输出电压纹波。总的来说,就是RC时间常数越大,纹波电压越小。  

图10 大电容重负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

电感的大小不影响纹波。如图11所示,将电感减小为10uH,电容C1维持100uF,纹波与电感量1mH时的情况差不多(约为1.5V)。1) 分析这一现象原因时,只需考虑开关SW1闭合以后即可。这时的电路完全是RC放电,与电感L无关,RC时间常数决定UO衰减的速率,SW1闭合多长时间,UO就会相应衰减一定的电压。 2) 电感对“RC负载”起作用的时间是开关SW1断开阶段,稳态时电容电压UO放掉多少,就会被电感充上多少,所以只要放电曲线“样子”确定了,充电的“样子”也就没跑了。因此,锯齿状纹波的大小与电感关系不大。  

图11 小电感重负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

前面的分析都是电感电流连续的情况,无论是大电感还是重负载都可以保证电感电流连续。当轻负载时,如果电感不够大,则非常容易发生电感电流不连续的情况。如图12所示,负载为1kΩ,电感减小到10μH。1) 首先,可以观察到开关断开阶段,VF1的电压不在总是“跟随”UO变化,当二极管D不导通时,VF1电压将是不定值(振荡之后趋近于V1)。 2) UO的输出电压远高于11.9V的理论值。与 Buck 电路电感电流不连续时推导的过程类似,TOFF将由两段时间组成,电感有电流时间段TOFF1和电感无电流时间段TOFF2,公式1修正为公式2。

 (2)3) 根据图6上的估计读数,TON时间约为TOFF1的7倍,所以根据式2输出电压应为40V,这与仿真结果也大致吻合(误差来源于式1忽略了VF1的振荡电压)。 4) 当负载为空载时,TOFF2将远大于TOFF1,此时UO将会产生意外高压,击穿滤波电容等低耐压器件。所以,Boost 电路不能空载使用,至少应接一个大阻值的“假负载”。  

图12 小电感轻负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

由于电路中感抗与容抗才是实质起作用的物理量,所以提高开关频率总能解决“手头有点紧”的难题(电感或电容不够大)。如图13所示,将开关频率提高到2MHz以后,虽然电感L只有10μH,滤波电容C1只有100uF,但是电感电流连续,输出电压纹波也非常小。  

图13高频小电感轻负载下 Boost 电路瞬时现象仿真

标签: 电感能升压二极管能不能通过三角波电感sw47uh电感sw1005

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