基于開關電容單級網絡的升壓變換器的參數與穩定性研究

萬云霞，王宏霞，高寧，陳國超

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130026）

基于開關電容單級網絡的升壓變換器的參數與穩定性研究

萬云霞，王宏霞，高寧，陳國超

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130026）

針對現有升壓變換電路升壓能力有限、紋波大和效率低等問題，設計并實現了一種基于開關電容單級網絡的電源升壓變換器。通過實驗測取開關電容單級網絡升壓變換器在不同占空比條件下輸出電壓隨輸入電壓變化的數據繪制特性曲線，將不同條件下的升壓電路效率計算出來，并與開關電容電路相關參數的理論結果進行對比分析。實驗結果表明，隨著輸入電壓的升高，基于開關電容單級網絡的升壓變換器的效率穩定在80%以上，在電路效率方面基本符合了設計的要求，與傳統boost升壓變換器裝置的效率相比更具有優勢。

升壓電路占空比；升壓范圍；高效率；IR2110；參數優化

隨著化石燃料的日益枯竭，對可持續發展、環保節能的新型能源的需求愈發強烈。太陽能作為眾多可再生能源當中最具潛力的一種，擁有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便的使用特點［1-2］，目前對太陽能發電的研究已達到成熟階段。然而對于新能源的利用率現在還是一個需要深入研究并積極改善的一個重要方向，文中提出了一種基于開關電容的單級網絡橫向串聯的升壓變換器裝置，通過完善電路中的相關參數，在一定程度上提高了傳統boost升壓變換器在高升壓比下的開關頻率過高。通過最終實驗數據的分析，這種電源裝置不僅可以做到在本項目中完成太陽能部分的升壓的要求，而且可以在相同條件下高效的收集儲存能量，并且引申在新能源并網之中也可以起到很大的作用［3］。

1　系統整體設計

本項目電源裝置主要由發電裝置和儲能電路兩部分組成，整體的結構框圖如圖1所示。

圖1　系統電源裝置的結構框圖

通過太陽能電池板和壓電材料分別將太陽能和人體動能轉換為可利用的電能，通過蓄能電池進行電能的存儲以備給手機等移動設備充電。本設計是太陽能能量收集中的升壓電路，具體實驗并分析了在不同輸入電壓及占空比下，基于開關電容的單級網絡升壓變換器的效率及輸出電壓的變化。本升壓電路由MSP430F149集成電路、基于IR2110的驅動電路及主電路3部分構成如圖2。

利用MSP430F149芯片內部的兩個計數器相比較而得到頻率、占空比均可調的一路PWM輸出。由于PWM幅值較小，不足以達到控制開關管的開關電壓，輸出的PWM波形經過以IR2110為核心芯片的驅動電路將電壓幅值放大到10V，由于選擇的開關管為IRF640N型MOSFET管，工作電壓在10V時能夠正常工作。通過驅動電路放大后的PWM波可以驅動主電路正常工作，從而開始測試，調整MSP430F149程序實現程控改變占空比，測試當保持20kHz的頻率下不同占空比對應的輸入電壓與效率曲線，對比分析效率能穩定在80%以上。

圖2　升壓電路整體結構框圖

2　原理分析與參數設計

2.1主電路原理分析與參數設計

基于開關電容的單級網絡的升壓變換器電路原理圖及等效電路如圖3所示：

1）當開關管S導通時，二極管VD1、VD2截止，該變換器的等效電路如圖3所示：

圖3　基于開關電容的單級網絡的升壓變換器電路原理圖與等效圖

2）當開關管S關斷時，二極管VD1、VD2導通，其等效電路如圖3所示。

對于電感L1和電感L2，結合以上兩個關系式，可以得到在一個開關周期內，根據電感的伏秒平衡原理

之后將式（1）代入式（2），可以得出輸出電壓與輸入電壓之間的表達式如下：

又由（3）式可以繼續推導出輸出電流的表達式為：

可以根據輸入輸出之間的功率守恒原理得到，輸入電流的表達式如下：

其中，適中Uin為主電路輸入端電壓，UC為開關電容網絡中電容端電壓，UO為輸出端電壓，R為輸出端負載電阻，D為電路中開關管PWM控制信號的占空比；Iin為輸入端電流，IO為輸出端電流IL1、IL2為經過電感L1、L2的電流，UL1、UL2為L1、L2兩端的電壓［4］。

從基于開關電容的單級網絡裝置的效率考慮，電路中各個元件相關參數的設計，以及具體元器件的選擇都決定了系統最后輸出電壓的大小以及效率的高低。且由于兩個交叉電容的存在，可以實現電容串聯放電、并聯充電的工作效果，從而達到提高變換器升壓能力的目的。

2.2驅動電路原理選擇分析與參數設計

IR2110是一種性能比較優良的驅動集成電路，它的自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件，驅動電壓高達500V，工作頻率為500kHz，驅動峰值電流為2 A，同時兩通道還設有低壓延時封鎖（50 ns）。重要的是IR2110可以直接輸入兩路PWM波，經過放大之后出來兩路驅動波［5］。IR2110的這些優點給實際系統設計帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅動電源大大簡化了驅動電源設計，因為只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關器件的驅動。美國IR公司生產的IR2110驅動器則兼有光耦隔離體積小和電磁隔離速度快的優點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選品種［6-8］。

其中電容C1、C3為103瓷片電容、C2為1 μF電解電容，由于結構電容量小，但容量穩定，等效電感很小。由于電解電容的等效電感較大，決定了它不能用于高頻場合，因為頻率越高，電感的影響就越明顯，然而該電路的頻率僅在10kHz-40kHz范圍內，電解電容能應用的最大頻率一般在500kHz左右，故電解電容適合用在本電路中。IR2110的效率比同類芯片高，故選擇IR2110。

基于開關電容單級網絡的升壓變換器整個系統在頻率不變的情況下，調節占空比，使得主電路能夠在輸入電壓一定時最為接近理想升壓比以及得到最高的效率且保持穩定［9］。

圖4　基于IR2110芯片的單路PWM波輸出的驅動電路

3MATLAB軟件Simulink仿真結果及分析

先設定一組數據，當使用升壓電路中基于開關電容單級網絡的升壓變換器的參數進行仿真實驗時，所設定的指標為：輸入電壓數據為12V，輸出達到60V，由于單級網絡會使得電壓反向，則輸出具體指標為-60V，功率達到30 W，效率80%以上。

通過計算得各個器件的參數如表1所示。

表1　各器件參數表

由上述公式（3）計算可得，要達到指標，需5倍的放大倍數，則需要的占空比。其中開關頻率設為10kHz，在開關管IRF640能夠承受且正常工作的范圍內。

4　測試結果及分析

為了驗證單開關升壓變換器的高效性以其的工作性能，對該變換器進行了實驗研究。在計算和仿真過后，實驗參數為：輸入電壓從0依次增加到12V，而占空比選擇40%，50%，和66%分別測量之后做出對應的由輸入電壓與效率對應關系的變化曲線。

在開關頻率保持一定的條件下進行測試，測試結果如圖5所示。

圖5　占空比為40%頻率為20kHz理論放大倍數為-2.33倍的單級開關電容電路測試結果

通過圖5的測試結果可得：在輸入電壓從0V逐漸變化到12V的過程中，升壓電路系統整體的效率從64.68%升至83%，并且在升壓過程中逐漸將電路的效率穩定在80%以上，且放大倍數由表格可以看出均具有穩定的升壓比，并且與理論升壓比-2.33偏差很小，達到相應的指標。通過10組測試數據的對比，可以得出該升壓電源裝置在開關頻率保持穩定的條件下能達到設定的升壓比并且效率能達到83.37%。

單片機MSP430F149產生的PWM波形的頻率保持20kHz的條件下進行測試，測試結果如圖6所示，當時環境條件為：開關頻率20kHz，占空比為66%，輸入電壓由0V等間距變化到12V。

由圖6可得：在輸入電壓從0V逐漸變化到12V的過程中，升壓電路系統整體的效率從70.69%升至81.37%，并且在升壓過程中逐漸將電路的效率穩定在81%左右，且放大倍數由表格可以看出均具有穩定的升壓比，并且與理論升壓比-5偏差較大，但效率能達到相應的指標。通過13組測試數據的對比，可以得出該升壓電源裝置在開關頻率保持穩定的條件下能達到設定的升壓比并且效率能達到81.37%。

圖6　占空比為66%頻率為20kHz理論放大倍數為-5倍的單級開關電容電路測試結果

通過將圖5與圖6的測試結果進行對比可得，當開關頻率保持恒定不變時，占空比的改變對升壓電路最終的效率影響不大。而當電路處在40%的占空比時基于開關電容單級網絡的升壓變換器的升壓比相較于66%時的升壓比更為穩定，也更加接近理論值。隨著電壓升高，在40%和66%的占空比下主電路的效率均可以達到80%以上，完成指標要求。

5　結束語

在實際的戶外環境下，單一能量來源的便攜型電源裝置會受到天氣等方面因素的影響而不能持續為使用者進行供電，而使用本文所設計并實踐的基于開關電容單級網絡的升壓變換器之中的相關參數能夠滿足太陽能升壓電路部分的效率要求，在Boost變換器的基礎上進行改進，得到一種單開關升壓變換器的相關參數設計，通過最優化參數最終提高發電效率的目的。實驗結果表明，該升壓電源裝置與傳統的升壓電源裝置相比提高了電路的效率，并且能夠保持穩定的升壓比，開關頻率較低，并且電路中僅僅使用了一個開關管，控制電路簡單，在能量的利用和效率上都更占優勢。

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A step-up converter based on the vertical parallel switch-capacitor network

WAN Yun-xia，WANG Hong-xia，GAO Ning，CHEN Guo-chao
（College of Instrumentation&Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China）

In view of the limitation of existing boost converter in the boost range，ripple and efficiency，a step-up converter based on the switch capacitor single stage network has been designed and confirmed to be feasible in practice.The characteristic curves of the output voltage varying with the input voltage under different duty cycle conditions are obtained by the experimental test，and the calculated results of the efficiency of the boost circuit is compared with the theoretical result obtained from the relevant parameters of the switched capacitor circuit.The experimental results show that the efficiency of the boost converter based on switched capacitor single stage network is more stable than 80%with the increase of input voltage，

set-up；converterduty cycleboost；rangehigh efficiency；IR2110；parameter optimization

TN710.2

A

1674－6236（2016）17-0181-04

2015-09-06稿件編號：201509038

國家級大學生創新實驗計劃基金項目（2014A65288）

萬云霞（1980—），女，山東煙臺人，工程師。研究方向：電磁信號處理。

which is basically in line with the design requirement of circuit efficiency and more advantageous than traditional boost converter.