一種新型高升壓比DC-DC變換器

楊澤青，鞠國(guó)銘，劉志博，孟凡欽，汪 芮，周 圍

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

0 引言

具有高升壓比的DC-DC變換器被廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、不間斷電源等場(chǎng)合。實(shí)現(xiàn)高升壓比的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為非隔離型和隔離型。非隔離型DC-DC變換器結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)Boost變換是常用升壓拓?fù)?，理論上?dāng)占空比接近于1時(shí)，變換器的輸出電壓將遠(yuǎn)高于輸入電壓，但受元器件的寄生參數(shù)及非線性特性的影響，占空比超過某一臨界值時(shí)輸出電壓不升反降[1]，限制了變換器的升壓比，不能滿足高升壓的需求。隔離型變換器通過提高變壓器的匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)高升壓比，但高頻變壓器體積較大，不易機(jī)電集成小型化，并且會(huì)帶來額外損耗[2]，影響變換器的轉(zhuǎn)換效率，造成能量的浪費(fèi)。為此，各種高增益高效率的變換器拓?fù)浔幌嗬^提出。文獻(xiàn)[3]提出多個(gè)Boost變換器來提高電壓增益，但這種方式控制復(fù)雜，影響轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定性也較差；文獻(xiàn)[4]提出變壓器來降低額外損耗，但波紋系數(shù)較大，輸出不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[5]提出用開關(guān)電容來提高電壓增益，但在高電壓的場(chǎng)合需要多個(gè)電容開關(guān)，增加了變換器的成本。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種新型高升壓比直流變換器拓?fù)?，能夠有效提高變換器的輸出增益和轉(zhuǎn)換效率。詳細(xì)分析了變換器的工作原理，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其性能特點(diǎn)。

1 高壓驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)電感型變換器Boost電路中引入后級(jí)電荷泵倍壓電路[6-7]，利用Boost開關(guān)節(jié)點(diǎn)處電壓的脈動(dòng)變換，循環(huán)導(dǎo)通后級(jí)倍壓電路中的開關(guān)二極管，達(dá)到后級(jí)電容“并聯(lián)充電，串聯(lián)放電”的效果[8]，實(shí)現(xiàn)后級(jí)的二次倍壓，減小傳統(tǒng)Boost電路中開關(guān)管占空比及紋波電流，既可等效提高變換器的升壓比，又可對(duì)輸出電壓進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)[9]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)升壓設(shè)計(jì)

前級(jí)升壓選擇電感儲(chǔ)能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，使用Boost升壓變換，典型電路如圖1所示。

圖1 Boost升壓電路

圖1中，Uin為輸入電壓；L為功率電感；Pulse Out為開關(guān)節(jié)點(diǎn)；D1為二極管；IC為脈沖控制芯片；Q1為開關(guān)管；CO為輸出電容；RO為負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管在芯片控制下閉合時(shí)，二極管因正向電壓小于反向電壓截止，輸入電壓直接給電感充電，此時(shí)負(fù)載由輸出電容供電，其充放電路徑分別如圖2(a)、圖2(b)所示。理想條件下，電感飽和前流經(jīng)電感的電感電流線性增加，增加值為[9]

(1)

式中：t0～t1為導(dǎo)通時(shí)間；L為電感值；Uin為輸入電壓；ΔIL(+)為導(dǎo)通時(shí)電感電流增加值。

當(dāng)開關(guān)管在芯片控制下斷開時(shí)，二極管正向電壓大于反向電壓導(dǎo)通，由于電感電流不可突變，電感兩端電壓反相后與輸入電壓串聯(lián)，同時(shí)向負(fù)載和輸出電容供電，充放電路徑及電感、電容極性如圖2(c)所示。此時(shí)流經(jīng)電感的電流逐漸減小，減少值為[10]：

(a)電感充電路徑 (b)負(fù)載放電路徑 (c)電感及負(fù)載放電路徑

(2)

式中：t1～t2為關(guān)斷時(shí)間；Uout為Boost輸出電壓；ΔIL(-)為關(guān)斷時(shí)電感電流減少值。

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律，在電流連續(xù)模式時(shí)，電感電流的增加值等于其電流減少值，即：

ΔIL(+)=ΔIL(-)

(3)

聯(lián)立式(1)～式(3)可以得到輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為

(4)

式中：D為開關(guān)脈沖信號(hào)的導(dǎo)通時(shí)間占空比。

2.2 后級(jí)倍壓設(shè)計(jì)

后級(jí)電壓放大采用高效率、低噪聲、低成本的電容型變換器方案，利用Boost開關(guān)節(jié)點(diǎn)Pulse Out處的脈動(dòng)電壓浮動(dòng)，配合二極管的單向?qū)ㄐ院碗娙莩浞烹娞匦詠韺?shí)現(xiàn)電壓增益輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 后級(jí)電荷泵倍壓電路

當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出為低電平時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，二極管D3截止，其電流路徑如圖4(a)所示。Boost電路中前級(jí)輸出經(jīng)二極管D2向電容C3充電，同時(shí)前級(jí)輸出與電容C4串聯(lián)后向負(fù)載RL供電；當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出為高電平時(shí)，二極管D2截止、二極管D3導(dǎo)通[2]，其電流路徑如圖4(b)所示。此時(shí)前級(jí)輸出與電容C3串聯(lián)后同時(shí)向電容C4和負(fù)載RL供電。在不考慮電路損耗的理想情況下，電路穩(wěn)定工作時(shí)輸出端電壓為輸入電壓的2倍。

圖4 開關(guān)節(jié)點(diǎn)輸出電流路徑圖

3 Simulink仿真

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，利用MATLAB中的Simulink仿真工具對(duì)擬定升壓方案進(jìn)行了電路仿真[11]，仿真電路主要由基本硬件電路和電壓采集節(jié)點(diǎn)1～8兩部分構(gòu)成，具體如圖5所示。

圖5 Simulink仿真電路及電壓測(cè)試點(diǎn)

仿真時(shí)Boost電路中Pulse Generator設(shè)置占空比為97.8%，功率電感設(shè)置為220 μH，電容C1電容值設(shè)置為4.7 μF，C2、C3電容值設(shè)置為2.2 μF，輸入電壓設(shè)置為直流5 V，通電測(cè)試后，同時(shí)捕捉電容C1、C2、C3和二極管D1、D2、D3兩端電壓波形以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)Pulse Out的對(duì)地電壓。

圖6自上而下分別為電源穩(wěn)定工作時(shí)二極管D3、D2及開關(guān)節(jié)點(diǎn)Pulse Out的電壓波形，在Pulse Out輸出為高電平時(shí)，D2正向電壓小于反向電壓截止，D3正向電壓高于反向電壓導(dǎo)通，Pulse Out電壓和C2d兩端電壓串聯(lián)向負(fù)載供電，同時(shí)C3開始充電；當(dāng)Pulse Out輸出為低電平時(shí)，D2正向電壓大于反向電壓導(dǎo)通，D3正向電壓小于反向電壓截止，前級(jí)輸出和C3兩端電壓串聯(lián)向負(fù)載供電，同時(shí)C2開始充電。

圖6 二極管波形

由圖7可知，前級(jí)升壓輸出穩(wěn)定在190 V，輸出紋波約為0.26%；后級(jí)倍壓輸出穩(wěn)定在380 V，輸出紋波約為0.15%；后級(jí)倍壓輸出約為前級(jí)升壓的2倍，仿真結(jié)果符合理論分析，驗(yàn)證了該方案的可行性。

圖7 前后級(jí)輸出電壓及紋波

4 系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

根據(jù)本文提出的高升壓比變換器原理，搭建了樣機(jī)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)前后兩級(jí)升壓的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，節(jié)點(diǎn)位置如圖9所示，在5 V的輸入電壓對(duì)工況波形進(jìn)行測(cè)量，圖10為輸出電壓波形，測(cè)試節(jié)點(diǎn)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)通斷作用下抬高電壓值，參考節(jié)點(diǎn)輸出穩(wěn)定的電壓值，與仿真結(jié)果基本一致。

圖8 高壓驅(qū)動(dòng)電源原理圖

圖9 節(jié)點(diǎn)示意圖

(a)測(cè)試節(jié)點(diǎn)電壓波形對(duì)比

在保持高壓輸出為380 V左右的情況下，改變輸入電壓的大小，測(cè)量輸出電壓紋波峰峰值，得到其紋波系數(shù)；測(cè)量輸入輸出功率，得到轉(zhuǎn)換效率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表明系統(tǒng)具有較好的魯棒性，在4.3～12 V的輸入下仍能穩(wěn)定工作，且轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定。

表1 高壓電源波紋系數(shù)、轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了一種高升壓比DC-DC變換器，該變換器結(jié)合Boost電路和倍壓電路的特點(diǎn)，在低輸入電壓的情況下，能實(shí)現(xiàn)高輸出電壓增益，同時(shí)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。詳細(xì)介紹了變換器的電路拓?fù)浜凸ぷ髟恚ㄟ^Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器的工作特性。