一種新型雙級Boost升壓拓撲結構

王海超+周繼軍

摘 要 傳統的單級Boost升壓電路拓撲結構升壓幅度有限，不適用于升壓幅度較大的場合。本文提出了一種新型雙級Boost升壓電路拓撲結構，它由兩組單獨的單級Boost升壓電路組合而成，可以有效的解決該問題。仿真結果證明了這種新型拓撲結構的有效性。

關鍵詞 雙級Boost升壓變換；拓撲結構；pspice仿真；逆變升壓

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0054-03

隨著社會的發展，逆變電源在人們的生活中扮演者越來越重要的角色。在逆變電源中經常采用“升壓—逆變”結構，升壓一般是將蓄電池低電壓升壓至315 V，再經逆變、濾波器濾波而得到工頻電壓。升壓部分有很多種拓撲結構，例如推挽式、Boost式等升壓拓撲結構。

Boost拓撲結構的硬件電路比較簡單，升壓電感的設計也較為容易，且轉換效率也比較高，大部分Boost電路轉換效率都在0.92以上，因此在需要升壓場合下應用較為廣泛。但是單級Boost升壓拓撲結構的升壓比較小，如果升壓幅度較大，就比較容易使開關管開通占空比較大，甚至接近于1。但是Boost電路一般是不允許開通占空比超過0.88的，因為開關管在開通占空比超過0.88后將失去升壓作用，況且較大的開通占空比會導致開關管的溫升和損耗過大，嚴重時會導致開關管損壞以至于整個電路無法正常工作。實際上開關管的開通占空比一般不超過0.85。

目前很多升壓幅度較大，但功率不太大的場合下會優先采用推挽式變換器來實現升壓，但是在大功率場合下，Boost升壓器仍然是首選的電路拓撲結構。本文提出的一種雙級的Boost升壓電路拓撲結構可以有效的解決單級Boost電路的升壓幅度有限問題，并且更適用于大功率場合。

1 單級Boost升壓電路

傳統單級Boost電路拓撲結構如圖1所示，有3種工作模式：連續導電狀態、不連續導電狀態以及臨界狀態。本文采用連續導電狀態。

圖1 單級Boost拓撲結構圖

在電路穩定工作時，其工作過程分為如下兩個步驟。

1）開關S處于A狀態時，流經儲能電感L的電流線性增大。由于二極管D此時不導通，電容器C只能經由負載放電，向負載提供續流，維持負載上的輸出電壓Vo不變。當電感電流增大到一定程度時，開關S由狀態A變為狀態B。

2）開關S處于B狀態時，儲能電感L內電流逐漸變小，同時儲能電感L兩端產生一個正向電動勢，并使二極管D導通，儲能電感L產生的感應電動勢與直流電源電壓疊加，同時作用在電容器C與負載上，為電容器C充電，并向負載提供一個高于直流電源的電壓Vo。當經過儲能電感L的電流減小的一定程度時控制開關S轉換到A狀態，然后重復步驟1）和步驟2）。

負載波形如圖2中Vo所示。

圖2 單級Boost開關狀態及輸出波形圖

其中，Ts為開關周期，Vs為開關狀態，設開關在A狀態時為“1”（表示實際電路中開關管導通），在B狀態時為“0”（表示實際電路中開關管關斷），Vo為輸出電壓波形，ton為開通時間且有

（1）

單級Boost電路的輸出電壓與輸入電壓的關系如下：

（2）

其中，D為開通占空比，一般來說應滿足0

2 雙級Boost升壓電路

2.1 雙級Boost拓撲結構

雙級Boost升壓電路就是將由單級Boost電路完成的任務換成由雙級串聯的單級Boost電路來完成的電路。其原理圖拓撲結構如圖3所示。

圖3 雙級Boost升壓拓撲

該拓撲結構由兩組Boost結構串聯構成。圖中，直流電源DC、L1、S1及C1組成第一級Boost升壓結構，L2、S2及C2組成第二級Boost升壓結構，負載上電壓作為輸出電壓Vo。其工作原理為，先由第一級將低級電壓Vi變換成較為合適的中級電壓Vm，再由第二級將中級電壓變換成為需要的高級電壓Vo并輸出。由于每一級都有可以相當于一個單級的Boost電路，所以該電路比單級的Boost有更大的升壓空間。

2.2 雙級Boost電路工作過程

由圖2可知，單級Boost負載上的電壓處于比直流電源較高的水平，并且比較穩定，可以當作另外一個直流電源來看待。如此，在該拓撲結構中，第二級Boost電路即可再次對第一級Boost的輸出電壓進行提升，使輸出電壓達到一個更高的水平。

設第一級Boost升壓電路的開通占空比為D1，第二級Boost升壓電路的開通占空比為D2，輸入電壓為Vi，中級電壓為Vm，輸出電壓為Vo，則有如下關系：

（3）

（4）

所以，

（5）

2.3 與傳統單級Boost電路的比較

由于兩級的開通占空比D1、D2是獨立的，D1、D2均可達到一個較大的值，因此由（5）式可以看出，當輸入電壓固定時，雙級的Boost電路可以更容易達到更高的輸出電壓。

另一方面，當輸入電壓和輸出電壓均已知且固定，而整個電路需要一個較大的升壓幅度時，單級Boost電路的開通占空比較大且固定，若是升壓幅度特別大，此電路開關管的開通占空比將會超過0.88，從而無法實現。而雙級Boost電路則可以通過設置一個合適的中級電壓Vm，有效的將整體電路的升壓負擔分給兩級，使每級Boost電路都可以工作于較小的開通占空比。相比單級Boost電路的大開通占空比而言，可以有效的保證整個電路的可靠性。其次較小的開通占空比可以有效的降低開關管的損耗和發熱量，有利于維持整個電路的穩定性。另外中級電壓Vm的合理設置也使整體電路的設計更加靈活，可以滿足不同電路的需要。

在實際電路設計過程中，由單片機或者DSP等控制芯片來控制兩個開關管的開通與關斷已經十分普遍。首先由電壓檢測電路將每級的Boost輸入電壓進行處理并送入控制芯片，然后由控制芯片根據設計好的程序來輸出控制信號。由于蓄電池在放電過程中輸出電壓會出現一定的波動，故在設計時應該考慮到其輸出電壓最低時的電路工作情況，設計程序時也應考慮到動態檢測每級Boost的輸入電壓，根據不同時期的不同輸入電壓來調整輸出控制信號的開通占空比，這樣才可以保證整個電路持續工作在穩定狀態。

3 仿真驗證

設蓄電池輸出電壓為24 V～48 V，升壓部分將此電壓提升至315 V。如果采用單級Boost升壓電路結構的話，開關管開通占空比將達到0.92，超過了開關管可以穩定工作的0.88的限制，從而容易引起電路的工作不穩定，甚至燒毀開關管。而采用雙級的Boost電路，則可先將蓄電池低電壓提升至120 V后，再提升至315 V，這樣，第一級的開關管的最大開通占空比為0.8，工作頻率為10 kHz；由于第一級的輸出電壓是固定的120 V直流電壓，所以第二級的開關管的開通占空比固定為0.61，工作頻率為10 kHz，滿足開關管正常工作的條件。

利用該雙級Boost升壓電路進行仿真，第一級輸出電壓為120 V，第二級輸出電壓為315 V，工作功率為1 kW，故以100 Ω電阻來作為負載。令輸入電壓分別為24 V、36 V、48 V時來觀察輸出波形，通過計算可知第一級Boost的開通占空比分別為0.8、0.7、0.6，第二級Boost的開通占空比為0.61。利用pspice仿真結果如圖4所示。

圖4 三種輸入電壓時的輸出

其中，（a）圖為輸入電壓為24 V時的輸出仿真結果，（b）圖為輸入電壓為36 V時的輸出仿真結果，（c）圖為輸入電壓為48 V時的輸出仿真結果。

下面那條線為第一級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為120 V，與預期結果要求相符；上面那條線為第二級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為315 V，也與預期結果要求相符。

通過觀察仿真結果可發現，輸入電壓越高，整個電路進入穩定狀態越快，因此在啟動整個電路時最好使用較高的電壓。在進入穩定狀態后，雖然由于蓄電池的放電，蓄電池輸出電壓會出現一定的波動，但是變化速率相對說來還是比較慢的，而通過單片機或DSP等控制芯片的實時控制，可以很快的調整開關管的開通占空比，使電路輸出電壓不至于受到蓄電池輸出電壓波動的干擾而產生變化，從而使輸出電壓穩定。

4 結束語

本文提出了一種兩級Boost升壓變換器拓撲結構，主要用于大功率逆變器的升壓部分。相比于單級Boost拓撲結構，本結構可有效的解決傳統單級Boost不能大幅度的提升電壓的問題。由于本結構中的每一級Boost都可以當作單獨的單級Boost來看，故提升電壓幅度大大增加；當輸入電壓、輸出電壓固定時，可以通過合理設置中級電壓，實現每級開關管的開通占空比都處于較小的值，從而保證電路可以可靠的工作。

本拓撲結構的一個缺點是進入穩定狀態的時間較長，且伴隨有較大的高壓脈沖在使用時應注意以下兩點。

1）在允許范圍內盡可能使用較高的電壓啟動。通過分析可知整個電路拓撲在較高輸入電壓時進入狀態較快。由于使用單片機或DSP等控制芯片對直流電源輸出電壓進行實時檢測，并相應的進行開關管開通占空比的調整，此過程相對于蓄電池輸出電壓變化的速率來說是相當迅速的。因此當電路進入穩定狀態后，單片機或DSP等控制芯片就可以迅速的調整控制信號的輸出，從而保證了輸出電壓的穩定。

2）而高壓脈沖就要求使用本結構時應注意防止高壓脈沖對整個電路的沖擊及影響。

參考文獻

[1]蘇婷，王金梅，臺流臣.單相光伏并網逆變系統的研究[J].新能源，2012（03）：51-52.

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[3]朱代祥.單相正弦脈寬調制逆變電源的設計[D].成都：四川大學，2004：14-15.

[4]趙有以，楊美君，孫佳成，王建民.基于STM32系列單片機的數控正弦波逆變電源設計與實現[J].電子設計工程，2012，20（23）：134-136.

[5]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2004.

[6]方宇，馬旭東.一種新型耦合電感式雙Boost光伏微逆變器拓撲分析[J].電力系統自動化，2011，35（03）：32-37.

[7]金鑫.高性能逆變電源的研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[8]吳建進.基于DSP的一種純正弦逆變電源的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[9]宋淑蘋.基于SPWM技術的獨立逆變電源設計[D].保定：河北大學，2011.

[10]梁晨隴.一種基于新型斜坡補償電路的BOOST驅動設計[D].成都：電子科技大學，2009.

[11]張立.現代電力電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2003：129-133.

[12]李龍文.DC-DC變換技術的現狀及未來[J].電源世界，2007（03）：1-6.

[13]劉金虎，阿城繼電器股份有限公司火電公司.閥控鉛酸蓄電池放電特性研究[J].電源世界，2005（6）：41-43.

[14]郝琇，鄭克文.密封鉛酸蓄電池放電電壓的變化[J].船電技術，2004（1）：46-47.

作者簡介

王海超（1989-），河南省鶴壁市淇縣人，碩士研究生在讀，主要研究方向：逆變電源及硬件的開發和設計。endprint

在實際電路設計過程中，由單片機或者DSP等控制芯片來控制兩個開關管的開通與關斷已經十分普遍。首先由電壓檢測電路將每級的Boost輸入電壓進行處理并送入控制芯片，然后由控制芯片根據設計好的程序來輸出控制信號。由于蓄電池在放電過程中輸出電壓會出現一定的波動，故在設計時應該考慮到其輸出電壓最低時的電路工作情況，設計程序時也應考慮到動態檢測每級Boost的輸入電壓，根據不同時期的不同輸入電壓來調整輸出控制信號的開通占空比，這樣才可以保證整個電路持續工作在穩定狀態。

3 仿真驗證

設蓄電池輸出電壓為24 V～48 V，升壓部分將此電壓提升至315 V。如果采用單級Boost升壓電路結構的話，開關管開通占空比將達到0.92，超過了開關管可以穩定工作的0.88的限制，從而容易引起電路的工作不穩定，甚至燒毀開關管。而采用雙級的Boost電路，則可先將蓄電池低電壓提升至120 V后，再提升至315 V，這樣，第一級的開關管的最大開通占空比為0.8，工作頻率為10 kHz；由于第一級的輸出電壓是固定的120 V直流電壓，所以第二級的開關管的開通占空比固定為0.61，工作頻率為10 kHz，滿足開關管正常工作的條件。

利用該雙級Boost升壓電路進行仿真，第一級輸出電壓為120 V，第二級輸出電壓為315 V，工作功率為1 kW，故以100 Ω電阻來作為負載。令輸入電壓分別為24 V、36 V、48 V時來觀察輸出波形，通過計算可知第一級Boost的開通占空比分別為0.8、0.7、0.6，第二級Boost的開通占空比為0.61。利用pspice仿真結果如圖4所示。

圖4 三種輸入電壓時的輸出

其中，（a）圖為輸入電壓為24 V時的輸出仿真結果，（b）圖為輸入電壓為36 V時的輸出仿真結果，（c）圖為輸入電壓為48 V時的輸出仿真結果。

下面那條線為第一級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為120 V，與預期結果要求相符；上面那條線為第二級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為315 V，也與預期結果要求相符。

通過觀察仿真結果可發現，輸入電壓越高，整個電路進入穩定狀態越快，因此在啟動整個電路時最好使用較高的電壓。在進入穩定狀態后，雖然由于蓄電池的放電，蓄電池輸出電壓會出現一定的波動，但是變化速率相對說來還是比較慢的，而通過單片機或DSP等控制芯片的實時控制，可以很快的調整開關管的開通占空比，使電路輸出電壓不至于受到蓄電池輸出電壓波動的干擾而產生變化，從而使輸出電壓穩定。

4 結束語

本文提出了一種兩級Boost升壓變換器拓撲結構，主要用于大功率逆變器的升壓部分。相比于單級Boost拓撲結構，本結構可有效的解決傳統單級Boost不能大幅度的提升電壓的問題。由于本結構中的每一級Boost都可以當作單獨的單級Boost來看，故提升電壓幅度大大增加；當輸入電壓、輸出電壓固定時，可以通過合理設置中級電壓，實現每級開關管的開通占空比都處于較小的值，從而保證電路可以可靠的工作。

本拓撲結構的一個缺點是進入穩定狀態的時間較長，且伴隨有較大的高壓脈沖在使用時應注意以下兩點。

1）在允許范圍內盡可能使用較高的電壓啟動。通過分析可知整個電路拓撲在較高輸入電壓時進入狀態較快。由于使用單片機或DSP等控制芯片對直流電源輸出電壓進行實時檢測，并相應的進行開關管開通占空比的調整，此過程相對于蓄電池輸出電壓變化的速率來說是相當迅速的。因此當電路進入穩定狀態后，單片機或DSP等控制芯片就可以迅速的調整控制信號的輸出，從而保證了輸出電壓的穩定。

2）而高壓脈沖就要求使用本結構時應注意防止高壓脈沖對整個電路的沖擊及影響。

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[14]郝琇，鄭克文.密封鉛酸蓄電池放電電壓的變化[J].船電技術，2004（1）：46-47.

作者簡介

王海超（1989-），河南省鶴壁市淇縣人，碩士研究生在讀，主要研究方向：逆變電源及硬件的開發和設計。endprint

在實際電路設計過程中，由單片機或者DSP等控制芯片來控制兩個開關管的開通與關斷已經十分普遍。首先由電壓檢測電路將每級的Boost輸入電壓進行處理并送入控制芯片，然后由控制芯片根據設計好的程序來輸出控制信號。由于蓄電池在放電過程中輸出電壓會出現一定的波動，故在設計時應該考慮到其輸出電壓最低時的電路工作情況，設計程序時也應考慮到動態檢測每級Boost的輸入電壓，根據不同時期的不同輸入電壓來調整輸出控制信號的開通占空比，這樣才可以保證整個電路持續工作在穩定狀態。

3 仿真驗證

設蓄電池輸出電壓為24 V～48 V，升壓部分將此電壓提升至315 V。如果采用單級Boost升壓電路結構的話，開關管開通占空比將達到0.92，超過了開關管可以穩定工作的0.88的限制，從而容易引起電路的工作不穩定，甚至燒毀開關管。而采用雙級的Boost電路，則可先將蓄電池低電壓提升至120 V后，再提升至315 V，這樣，第一級的開關管的最大開通占空比為0.8，工作頻率為10 kHz；由于第一級的輸出電壓是固定的120 V直流電壓，所以第二級的開關管的開通占空比固定為0.61，工作頻率為10 kHz，滿足開關管正常工作的條件。

利用該雙級Boost升壓電路進行仿真，第一級輸出電壓為120 V，第二級輸出電壓為315 V，工作功率為1 kW，故以100 Ω電阻來作為負載。令輸入電壓分別為24 V、36 V、48 V時來觀察輸出波形，通過計算可知第一級Boost的開通占空比分別為0.8、0.7、0.6，第二級Boost的開通占空比為0.61。利用pspice仿真結果如圖4所示。

圖4 三種輸入電壓時的輸出

其中，（a）圖為輸入電壓為24 V時的輸出仿真結果，（b）圖為輸入電壓為36 V時的輸出仿真結果，（c）圖為輸入電壓為48 V時的輸出仿真結果。

下面那條線為第一級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為120 V，與預期結果要求相符；上面那條線為第二級Boost的輸出電壓，在3張圖中，穩定時均為315 V，也與預期結果要求相符。

通過觀察仿真結果可發現，輸入電壓越高，整個電路進入穩定狀態越快，因此在啟動整個電路時最好使用較高的電壓。在進入穩定狀態后，雖然由于蓄電池的放電，蓄電池輸出電壓會出現一定的波動，但是變化速率相對說來還是比較慢的，而通過單片機或DSP等控制芯片的實時控制，可以很快的調整開關管的開通占空比，使電路輸出電壓不至于受到蓄電池輸出電壓波動的干擾而產生變化，從而使輸出電壓穩定。

4 結束語

本文提出了一種兩級Boost升壓變換器拓撲結構，主要用于大功率逆變器的升壓部分。相比于單級Boost拓撲結構，本結構可有效的解決傳統單級Boost不能大幅度的提升電壓的問題。由于本結構中的每一級Boost都可以當作單獨的單級Boost來看，故提升電壓幅度大大增加；當輸入電壓、輸出電壓固定時，可以通過合理設置中級電壓，實現每級開關管的開通占空比都處于較小的值，從而保證電路可以可靠的工作。

本拓撲結構的一個缺點是進入穩定狀態的時間較長，且伴隨有較大的高壓脈沖在使用時應注意以下兩點。

1）在允許范圍內盡可能使用較高的電壓啟動。通過分析可知整個電路拓撲在較高輸入電壓時進入狀態較快。由于使用單片機或DSP等控制芯片對直流電源輸出電壓進行實時檢測，并相應的進行開關管開通占空比的調整，此過程相對于蓄電池輸出電壓變化的速率來說是相當迅速的。因此當電路進入穩定狀態后，單片機或DSP等控制芯片就可以迅速的調整控制信號的輸出，從而保證了輸出電壓的穩定。

2）而高壓脈沖就要求使用本結構時應注意防止高壓脈沖對整個電路的沖擊及影響。

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[5]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2004.

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[7]金鑫.高性能逆變電源的研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[8]吳建進.基于DSP的一種純正弦逆變電源的研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[9]宋淑蘋.基于SPWM技術的獨立逆變電源設計[D].保定：河北大學，2011.

[10]梁晨隴.一種基于新型斜坡補償電路的BOOST驅動設計[D].成都：電子科技大學，2009.

[11]張立.現代電力電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2003：129-133.

[12]李龍文.DC-DC變換技術的現狀及未來[J].電源世界，2007（03）：1-6.

[13]劉金虎，阿城繼電器股份有限公司火電公司.閥控鉛酸蓄電池放電特性研究[J].電源世界，2005（6）：41-43.

[14]郝琇，鄭克文.密封鉛酸蓄電池放電電壓的變化[J].船電技術，2004（1）：46-47.

作者簡介

王海超（1989-），河南省鶴壁市淇縣人，碩士研究生在讀，主要研究方向：逆變電源及硬件的開發和設計。endprint