一種推挽式Boost DC/DC變換器的研究

鄭曉蘭，伊 林

(民航貴州空管分局技術(shù)保障部，貴州貴陽550012)

0 引言

電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科，是電力行業(yè)中廣泛運用的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛，包括電力半導(dǎo)體器件、磁性元件、電力電子電路、集成控制電路以及由上述元件、電路組成的電力變換裝置，其中電力變換技術(shù)是開關(guān)電源［2，3］的基礎(chǔ)和核心。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向DC/DC變換器的應(yīng)用也越來越廣泛，主要有直流不停電電源系統(tǒng)(DC-UPS)、航空電源系統(tǒng)、電動汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲能等應(yīng)用場合。而雙向DC/DC變換器中，升壓變換和降壓變換是雙向DC/DC變換器中兩個組成部分，在DC/DC升壓式電路中，通常采用的拓撲結(jié)構(gòu)有Boost、Buck、Boost和推挽三種。而當輸入電壓比較低，功率不太大的情況下，一般優(yōu)先采用推挽結(jié)構(gòu)。本文著重介紹一種推挽式Boost DC/DC變換器，對其工作原理進行分析并對這種變換器進行建模及仿真。

1 推挽式Boost DC/DC變換電路工作原理

推挽式Boost DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，前面一級升壓電路可以看作是一個Boost升壓電路，通過調(diào)整開關(guān)管S1的占空比來調(diào)節(jié)變壓器原邊輸入電壓;后面一級升壓電路是一個推挽式變換電路，也可以看作是由兩個正激式變換器組合來實現(xiàn)的，該變換器是由一個具有中心抽頭的變壓器和兩只開關(guān)管S2、S3構(gòu)成的。這兩個正激式變換器在工作過程中相位相反，在一個完整的周期中交替把能量傳遞給負載，所以稱為推挽式變換。

圖1 推挽式Boost DC/DC變換器

功率開關(guān)管S1、S2、S3的發(fā)射極直接連接在電源負極，因此該變換器的驅(qū)動電路繼承了一般推挽式變換電路的優(yōu)點:基極驅(qū)動十分方便、簡單，不需要進行電氣隔離就可以直接驅(qū)動。該拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動電路簡單以及升壓效果明顯等優(yōu)點。

升壓變換時其具體的工作過程如圖2所示，高壓側(cè)開關(guān)管的驅(qū)動信號被封鎖。功率開關(guān)管S1和升壓電感L1構(gòu)成的Boost電路將電源電壓初次升高到一定的電壓值;S2和S3驅(qū)動信號的占空比均為50%，構(gòu)成的推挽變換電路將升高后的直流電壓變換成交流電壓，通過高頻變壓器傳送到副邊，并將電壓進一步升高，利用反向電路中的開關(guān)管的反并二極管進行整流。

在任一時刻，電流僅僅流過一個開關(guān)器件，這大大降低了變換器的通態(tài)損耗，同時提高了變換器的效率、縮小了變換器的體積。

開關(guān)管S1、S2、S3的驅(qū)動信號，以及開關(guān)管所承受的電壓波形、電感L1中的電流波形，如圖2所示。

圖2 升壓變換時開關(guān)管上的電壓、電感中的電流和變壓器副邊電壓波形

在分析之前，假設(shè)所有的開關(guān)器件和整流二極管器件均為理想器件，變壓器為理想變壓器，電感L1足夠大，能夠保證流過它的電流的連續(xù)性。其中電容C2是為了防止電流偏磁的。

各開關(guān)狀態(tài)如下:

(1)t0～t1階段

t0時刻，S1導(dǎo)通，低壓側(cè)直流電壓加在L1的兩端，電感中的電流線性增長。此期間電源對電感充電，儲存能量，為了能夠保證電流的連續(xù)性，要求電感L1要足夠大。這期間雖然開關(guān)管S2有觸發(fā)信號，但是開關(guān)管S1的導(dǎo)通對L2回路形成短路，加在變壓器原邊的電壓為零，變壓器副邊輸出電壓也為零。

(2)t1～t2階段

t1時刻，S1關(guān)斷，S2承受正向電壓導(dǎo)通，L1中的電流將通過開關(guān)管S2流經(jīng)變壓器，此時變換器對負載供電，L1中的電流線性下降。

(3)t2～t3階段

t2時刻，S1再次導(dǎo)通，工作過程同t0～t1階段。

(4)t3～t4階段

t3時刻，S1關(guān)斷，S3承受正向電壓導(dǎo)通，L1中的電流將通過開關(guān)管S3流經(jīng)變壓器，此時變壓器對負載供電，L1中的電流線性下降。

通過分析得到如下結(jié)論:該電路采用Boost升壓電路和推挽式升壓電路兩種升壓電路相結(jié)合的方式對輸入電壓進行升壓，大大地提升了升壓的整體效率。但是其主要缺點是:電路主體部分仍然采用硬開關(guān)電路，造成的開關(guān)損耗也比較大，變換器的工作效率受到一定的限制。因此有必要對變換電路進行改進，可以將串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)［4，5］引入到推挽式Boost變換器中。

2 建模與仿真

為了驗證上述分析，下面應(yīng)用 PSPICE電路仿真［6，7］軟件對這種推挽式 Boost DC/DC 變換電路進行建模仿真，觀察其仿真波形。

(1)圖3給出了升壓變換電路的主電路的仿真圖，其仿真主要參數(shù)如下:

輸入直流電壓:Uin=28 VDC;輸出直流電壓:Uo=270 VDC;變壓器原、副邊匝比:n=5;升壓電感:L4=200 μH;輸出濾波電容:C1=200 μF;開關(guān)管:IRF460;功率二極管:MUR460。

(2)功率開關(guān)管的驅(qū)動信號設(shè)置首先在 Pspice的Schematic中繪制如圖3所示的電路原理圖，選用暫態(tài)分析，在給定輸入激勵信號的作用下，調(diào)用 Pspice A/D程序進行電路的模擬仿真。

圖3 升壓變換電路的主電路仿真圖

三個開關(guān)管的驅(qū)動信號如表1所示進行設(shè)置。此仿真開關(guān)管的驅(qū)動信號采用脈沖信號激勵源VPULSE，其 主 要有7個參數(shù)設(shè)置。升壓開關(guān)管的開關(guān)頻率為推挽管開關(guān)頻率的兩倍，推挽管的開關(guān)周期為25 μs。

表1 開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號設(shè)置表

(3)仿真結(jié)果及分析

圖4為升壓變換電路中升壓開關(guān)管和推挽開關(guān)管的驅(qū)動波形。S1為升壓開關(guān)管，S2和S3為推挽功率開關(guān)管。圖中S2和S3為推挽開關(guān)管的驅(qū)動波形，占空比為50%，為兩個互為180°的方波。

圖4 升壓開關(guān)管S1和推挽管S2、S3的驅(qū)動波形

圖5 開關(guān)管S1的驅(qū)動波形及升壓電感中的電流波形

圖5為變換器升壓開關(guān)管的驅(qū)動波形及其升壓電感中的電流波形。從圖中可知，當升壓開關(guān)管S1導(dǎo)通，低壓側(cè)的直流電壓Uin加在升壓電感L5的兩端，所以電感中的電流線性上升，此時直流電壓源對電感充電來存儲能量。此時雖然推挽開關(guān)管S2驅(qū)動導(dǎo)通，但是S1的導(dǎo)通對S2的回路形成短路，加在變壓器原邊的電壓為零。當開關(guān)管S1關(guān)斷時，升壓電感L5中的電流將通過開關(guān)管S2流經(jīng)變壓器對負載供電，此時L5中電流線性下降，依次循環(huán)。

圖6為升壓開關(guān)管S1和推挽開關(guān)管S2漏源極之間的電壓波形。從圖中可以看出開關(guān)管漏源極之間電壓有少量振蕩，這是由于變壓器中存在有漏感而引起的電壓峰值，這個電壓峰值直接加在關(guān)斷的開關(guān)管兩端。

圖6 S1和S2漏源極之間的電壓波形

3 結(jié)束語

通過上述仿真分析，這種新型的采用Boost升壓和推挽式升壓相結(jié)合的升壓方式，大大地提高了升壓效率，但缺點是仍然采用硬開關(guān)，這樣一來變換器的體積大，二是有一定的開關(guān)損耗，下一步的研究即在此基礎(chǔ)上引入軟開關(guān)技術(shù)。

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