BOOST升压电路案例分析

BOOST 升压电路案例分析

将直流电能转换为另一种固定电压或电压可调的直流电能的电路称为直流斩波电路。它利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，因此也称为开关型DC/DC 变换电路或直流斩波电路。直流斩波电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因素校正，逆变器以及其他领域的交直流电源等。

测试电路如下图4.1所示，测量输入与输出关系。

通道2：输出直流电压信号

u o +-

(a)BOOST 测试电路 (b)输出波形

图4.1 BOOST 升压电路(multisim)

一、直流斩波电路的基本原理

基本的直流变换电路原理如图4.2所示，T 为全控型开关管，R 为纯电阻性负载。当开关T 在时间T on 开通时，电流流经负载电阻R ，R 两端就有电压；开关T 在时间T off 关断时，R 中电流为零，电压也就变为零。直流变换电路的负载电压波形如图4.2(b)。

(a) 直流斩波原理图 (b)输出波形

图4.2直流斩波原理示意图

定义上述电路中脉冲的占空比：on on s on off

T T D T T T ==+。 其中T s 为为开关管T 的工作周期，T on 为开关管T 的导通时间。由图5.3(b)的波形可知，输出电压的平均值为：

01

s T on O d d d s S

T U U dt U DU T T ===⎰ 此式说明，控制开关管的导通与关断来控制就可以达到控制输出电压。

二、BOOST 升压过程

直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路为升压变换电路，又称为Boost 电路。电路如图5.2所示。

图中Q2为开关管， D1是快恢复二极管，XFG1为频率和占空比都可调的函数发生器， 用于产生驱动开关器件Q1所需的脉冲信号。假设输入电源电压为U d ，输出负载电压为U o ，流过电感的电流为I L 。当Q1在出发信号作用下导通时，电路处于T on 工作器件，D 承受反向电压而截止。一方面，能量从直流电源输入并存储到L 中，电感电流从I 1线性增大到I 2；另一方面，R 由C 提供能量，显然，L 中的感应电动势与U d 相等。则有

21L d on on

I I I U L L T T -∆== L on d I T L

U ∆= 当T 被控制信号关断时，电路处于T off 工作期间，D 导通，由于L 中的电流不能突变，产生感应电动势阻止电流减小，此时L 中存储的能量经D 给C 充电，同时也向R 提供能量。在理想条件下，电感电流从I 2线性减小到I 1，由于L 上的电压等于U O -U d ，因此可得

L o d on

I U U L T ∆-= L L Toff I Uo Ud

=

∆- 则有 d on o d off U T U U T L L

-=

1on off

d o d off T T U U U T D

+==- 其中，D 为占空比。当D=0时，U o =U d ，但D 不能为1，因此在0≤D ＜1 变化范围内，输出电压总是大于或等于输入电压。在理想条件下，电源输出电流和负载电流的关系为 1d I I D

=- 变换器的开关周期为Ts ，则：

()

o s on off L d o d LU T T T I U U U =+=∆- ()d d l O U Uo Ud U D I fLU fL

-∆== 式中f 为开关管的频率。

由式(11)可见，电感电流的脉动引起输出电压的脉动，为减小输出电压纹波，可以采取增大电感L 或者提高频率的方法。一般来说，电感值的增大会引起电感体积的增大，所以应选择合理的电感值，提高斩波频率即开关器件的开关频率是一种有效的方法。另外一种常用方法为在负载两端并联电容，使得△I L =△I c ，即输出电压纹波可以看成是交流分量经电容进入接地端，从而稳定输出电压。在实际设计电路时，电感L 、电容C 、开关频率f 值的确定比较困难。

三、案例分析

电路的仿真模型如图3 所示，各参数设置为输入电压U d =50V ，R=50Ω，C=4.7mF ，D=50%，由上可知，改变开关频率f ，电感L 的值可以有效的抑制电流的脉动，从而使负载处电压保持稳定， 分别讨论f 和L 的取值对输出变压波形的影响。

1.电感对输出电压波形的影响

分别取L1 =50mH ，L2 =500mH ，f=100Hz ，利用虚拟示波器观察其仿真的输出电压波形如图4.3 所示，其中图4.3(a)分别为电感为L1时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形，图4.3(b)为电感为L2 时的负载电压波形与电路进入稳态后的一段电压波形。

L=50mH,f=100H Z,D=0.5

输出波形

1,驱动波形

L=500mH,f=100H Z,D=0.5

输出波形

1,驱动波形

(a) L1 =50mH 输出波形(b) L2 =500mH输出波形

图4.3电感对输出电压波形的影响

从图5.4 (a)、(b)比较可以看出，随电感的增大，输出电压进入稳态的时间差别较大，当L 取50mH 时，大约经240ms 进入稳态状态，而当L 取500mH 时，大约经480ms 进入稳态。

2）开关频率对输出电压波形的影响

取L=50mH，f=1000Hz，电压波形如图4.4所示，其中图(a)、(b)分别为电感的负载电压波形和电路进入稳态后的一段电压波形，从图中可以看出适当增大频率后，负载输出电压波形稳定，脉动极小，完全适合工程应用的需要。开关频率越大，理论上来说输出电压的脉动就越小，但是此时开关器件的损耗正大，同时在电感上的感抗增大。所以，在提高开关频率的时候应考虑开关损耗对电路的影响。

L=50mH,f=1000H Z,D=0.5

输出波形

1,驱动波形

输出波形

1,驱动波形

L=50mH,f=1000H Z,D=0.5

(a) 暂态输出波形(b) 稳态输出波形

图4.4开关频率对输出电压波形的影响

通过以上分析可以看出，输出电压U o约为100V，与升压理论的分析一致，考虑到成本与输出电压的稳定度，确定该模型的最佳参数为：电感L=50mH，开关频率f=1kHz，电容的选取尽量稍大为好，此处选取C=4.7mF 符合工程设计的需要。