開關電感Boost變換器的研究與分析

邢 迪

（寧波三星醫療電氣股份有限公司，浙江寧波315000）

0 引言

隨著世界經濟的發展和社會的進步，電力行業飛速發展。在電力終端表中，需要使用開關電源變換后為系統供電，傳統的Boost變換器難以滿足較大的升壓差。所以，在滿足系統可靠性的前提下，實現高效率和高增益的電壓變換，已經成為開關電源的研究熱點。

1 工作原理分析

傳統Boost變換器由電感、電容、二極管和開關器件組成，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 傳統Boost變換器

用兩個電感和三個二極管構成的開關電感支路代替傳統變換器中的單一電感，通過二極管的導通和關斷來實現兩個電感的并聯充電和串聯放電，由此可以得到如圖2所示的開關電感Boost變換器拓撲結構。

圖2 開關電感Boost變換器

該變換器中，通過開關器件SW1的導通和關斷動作可以調節占空比，從而達到升壓的目的，且升壓增益要高于傳統Boost變換器。需要說明的是，該結構中需要兩個電感值大小相等，從而保證電感在并聯充電和串聯放電過程中的電壓值大小相等，即：

開關電感Boost變換器的等效電路如圖3所示。

2 連續導通模式下工作特性

當開關器件SW1導通時，二極管D1和D3導通，二極管D2和D4被迫截止，其等效電路如圖3（a）所示。此時，兩個電感為并聯關系，且處于充電狀態，其電壓值分別為：

圖3 等效電路

當開關器件SW1關斷時，二極管D2和D4導通，二極管D1和D3被迫截止，其等效電路如圖3（b）所示。此時，兩個電感為串聯關系，且處于放電狀態，其電壓值分別為：

設開關器件SW1的開關周期為T，導通時間為T1，關斷時間為T2，且T1+T2=T，則直通占空比D=T1/T。在一個周期內，兩個電感的電壓平均值為0[1]，結合方程式（1）～（4）可以得到：

2.1 電壓增益

G為開關電感Boost變換器的電壓增益，則其表達式為：

由公式（7）可知：在占空比1增大時，電壓增益G也會增大，從而實現變換器的升壓功能。傳統Boost變換器的電壓增益為：，對比電壓增益G與Gboost之間的大小關系，圖4給出了相應的關系曲線圖。

由圖4和公式（7）可知，電壓增益G表達式的分子由1變成了1+D，并且隨著直通占空比D的增加，這種優勢會更加明顯。

2.2 開關器件的電壓和電流應力

由方程式（6）可以得出輸出電流的表達式：

根據功率守恒原理可以分別得到輸入電流和電感電流的表達式：

圖4 開關電感Boost變換器與傳統Boost變換器增益比大小對比

分析開關電感Boost變換器的電路結構可知：和傳統Boost變換器相同，開關器件SW1的電壓應力大小等于輸出電壓：

各個二極管的電壓應力分別為：

在連續導通模式（CCM）下，一個周期內的電感電流波形如圖5（a）所示，輸出電壓波形如圖5（b）所示。

圖5 電感電流和輸出電壓波形

分析圖5可以得出電感L1和L2的電流值為：

則開關器件SW1的電流值為：

當t=DTs時，根據式（9）和（10）可得開關器件SW1的電流應力為：

四個二極管的電流應力為：

由方程式（8）～（11）可以得出：開關器件SW1所承受的電流和電壓應力都較大，二極管D1、D2和D3的電壓應力較小，而D4的電壓應力相對較大。

由方程式（16）～（18）可以得出：各個二極管的電流應力相對較小，所以導通損耗也較小。

3 仿真結果分析

為了體現開關電感Boost變換器相比較傳統Boost變換器所具有的優越性能，利用Matlab/Simulink仿真軟件對該變換器進行仿真試驗分析[2]。設定仿真參數：輸入直流電壓Vin=10 V，電感L1=L2=200 μH，輸出濾波電容Cf=100 μF，開關頻率fs=100 kHz，各元器件的仿真波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓仿真波形

由圖6可以看出，隨著占空比增加，輸出電壓值也在不斷升高，與前面的理論分析相符，說明了開關電感Boost變換器具有高升壓能力。

圖7給出了開關器件在不同占空比下的電壓值大小，可以看出開關器件的電壓值基本等同于開關電感Boost變換器的輸出電壓值大小，表明了開關器件的電壓應力相對比較大，與理論分析結構相符。

圖7 開關器件電壓仿真波形

由圖8可以看出二極管D1和D3的電壓值基本相同，其值小于開關電感Boost變換器的輸入電壓值，表明二者的電壓應力相對是比較小的，與前面的理論分析相符。

圖9中二極管D2的電壓值大小是恒定的，其值基本等同于開關電感Boost變換器的輸入電壓值，電壓應力相對比較小，符合前面的理論分析結果。

圖10中二極管D4的電壓值相對來說是比較大的，其值基本上等同于開關電感Boost變換器的輸出電壓值，具有較大的電壓應力，符合理論分析結果。

圖8 二極管D1和D3電壓仿真波形

圖9 二極管D2電壓仿真波形

圖10 二極管D4電壓仿真波形

綜上所述，在相同占空比下，開關電感Boost變換器的輸出電壓值要大于傳統Boost變換器，并且隨著占空比的增加，其具有更明顯的高升壓優勢。同時，也分析了開關器件和所有二極管的電壓應力和電流應力，表明了影響開關電感Boost變換器工作效率的主要因素是開關器件和二極管D4的導通損耗。另外，利用Matlab/Simulink軟件進行仿真存在著一定的誤差，但都在允許范圍內[3]。

4 結語

針對傳統Boost變換器的升壓能力不足，將開關電感結構嵌入其中，提出開關電感Boost變換器（SIBC），詳細闡述了其在連續導通下的工作原理。仿真結果表明，其升壓能力強于傳統Boost變換器，并且占空比越大，這種優勢越明顯，且輸入電壓利用率高、開關器件應力低。