升壓電路的原理與實現

袁幸杰 鄭軼 盧濤 馮向超

摘 要 隨著新能源技術的不斷發展，對電力變換技術也提出了更高的要求，尤其許多新能源電池自身的屬性決定其輸出的電壓較低而電流較大，無法被用電設備直接使用，需要進行電力變換。本文針對新能源電池輸出電壓低、電流大這一特點。對三種不同的升壓方式進行了對比，提出并實現了一種基于BOOST拓撲的升壓變換電路并在此基礎上進行了損耗分析。最后針對溶解氧海水電池搭建了一套電池升壓管理系統，實現了低電壓大電流的條件下的高效率直流升壓變換，并在近海測試中取得了較好的測試效果，有效解決了該問題。

【關鍵詞】BOOST升壓電路 海水電池 超低壓升壓 電池管理

隨著新能源電池的不斷涌現對電力變換技術也提出了更高的要求，尤其是在光伏及海水發電等領域，通常電池本身輸出的電壓較低而電流較大，不能直接為用電設備所用。而現有的電力變換技術通常不能夠高效率的進行電能由此造成了電能無法得到充分利用。國外如荷蘭等國家已經針對這一問題進行了較多的探索，其采用DCDC方式能夠高效率的進行電能轉換，而目前國內并沒有相應的成熟技術與產品在實際中應用。文章在對比了推挽、全橋等多種升壓方法的基礎上提出了一種基于BOOST拓撲的超低壓升壓的實現方法，能夠實現升壓比大于10的低電壓、大電流情況下的高效率電壓轉換，轉換效率達到75%以上。

溶解氧海水電池作為一種以海水為電解質能夠提供長期、穩定電能的新型電池，對深海觀測具有重要意義，應用前景非常廣泛。但是由于海水電池采用開放式結構，輸出電壓低電流大并且各組電池無法進行串聯對海水電池輸出的低電壓進行升壓變換是海水電池應用于水下設備的必由之路。

1 工作原理

1.1 升壓方案選擇

目前，DC-DC直流升壓變換電路有多種結構形式，主要方式有：單端式、半橋式、全橋式、推挽式。

其中推挽式是基于逆變升壓的原理，推挽式升壓電路必須使用帶有中心抽頭的變壓器，增大了變壓器偏磁的風險，而且推挽式開關電源方案不適合負載變化較大的場合。橋式升壓電路同樣是基于逆變升壓的原理。采用推挽式與橋式升壓方式需要先對海水電池輸出的直流電進行逆變而后再進行整流，這兩種升壓方式由于結構較為復雜，轉換過程中的開關損耗過高，而且由于輸入過低對變壓器的性能要求較高，難以實現高效率的升壓變換。

采用基于BOOST拓撲的升壓電路這一設計結構簡單、器件損耗低，只需要所選用的控制器能夠準確控制PWM的占空比即可實現高效率升壓轉換。

1.2 升壓電路工作原理

海水電池升壓系統組成如圖1所示，海水電池、升壓裝置、濾波電路、控制系統。本文主要介紹升壓裝置部分：

由于海水電池升壓系統要求升壓跨度較高，占空比已經達到90%以上。設計選用了一款具有PWM限流功能的，高效率、低功耗的DC-DC控制器。

1.3 損耗分析

由于海水電池升壓跨度大，輸入電流高因此難度較大，根據占空比計算公式：D= （VO-Vi）?VO得出最大為Dmax≈91.4%，最小為Dmin≈86.4%因此對控制器的控制精度及穩定性的要求較高。

根據BOOST電路工作原理分析了損耗主要來源：電感損耗，快恢復二極管損耗、開關管損耗及線路損耗幾個方面組成，其中快速恢復二極管和開關管損耗主要可以分為導通損耗、通態損耗及關斷損耗：

二極管開通損耗為：

其中tfr為上升時間，VFR為二極管正向恢復最大電壓，VF為二極管壓降的典型值，IF為二極管正向電流。

二極管通態損耗為：

其中，二極管正向導通壓降VF，二極管導通內阻rD，ID（AV） 為二極管電流的平均值，I2D（RMS）為二極管電流的有效值，快速恢復二極管關斷損耗：

其中，Kf二極管反向恢復電流，fcID（RM） 的溫度系數。

開關管損耗為：導通損耗為：，開關管通態損耗為：PCON=I2Q（RMS） RQ，開關管關斷損耗為：

其中：IQ（RMS） 開關管的電流有效值，RQ為開關管在給定溫度下的導通電阻，IL電感L的電流且IL=IIN tfr開關管開通上升時間。

另外由于開關管的輸出電容和其漏源之間電壓比的平方根成正比，得到開關管的總損耗表達式為：

由以上分析可推知為提高升壓效率應采用單級升壓并選用導通阻抗小的器件。

2 電路實現

2.1 升壓管理系統設計

本文設計的升壓電路能夠實現最高14.2V的輸出，升壓比高達11.8。其功能框圖如圖2所示。

由于設計采用并聯方式因此模塊之間的內阻匹配能夠有效提高升壓效率。同時為了保證升壓電路的安全性，降低輸出電壓的噪聲，各路在輸出時采用了二極管與電阻串聯的方式，不僅保護了內部升壓電路不被破壞而且也保證了輸出電壓的一致性有效降低了系統的輸出噪聲。

2.2 實驗波形及調試

2.2.1 不同升壓級數效率對比

實驗分為實驗室測試與碼頭近海測試，表1為不同升壓級數的效率對比情況。

由表1可以看出，隨著升壓級數的不斷增大效率呈現明顯的下降趨勢。因此，在實際升壓電路制作過程中應選用低反向恢復電流的快回復二極管，同時對效率有較高要求的場合在滿足功率匹配的條件下應盡量采用一級升壓模式進行升壓操作。

2.2.2 不同電壓下的升壓效率

海水電池升壓管理系統升壓后接功率電阻作為負載，不同輸出電壓下升壓電路的轉換效率。由于海水中溶解氧濃度不會突變，因此海水電池輸出電壓相對穩定，實驗室中可以通過大功率線性直流電源模擬海水電池的輸入對升壓電路進行測試。

表2為實驗室中測的相關實驗數據。

由表2可以看出隨著海水電池輸入電壓的升高，升壓電路的效率也有了一定的程度的提升。通過近岸測試發現，升壓后電壓輸出相對穩定，能夠較好的克服輸入電壓波動給升壓電路所帶來的影響。

3 總結

超低電壓升壓電路采用了模塊化的設計思想，使用多組升壓模塊并聯方式解決了超低電壓，較大電流升壓的問題并且可以方便的調節各路輸出電壓使輸出電壓匹配程度較高，分析了升壓電路的損耗情況，在此基礎上進行了器件的選型，極大的提高了轉換效率使其達到了70%以上。并且可以根據要求快速的進行功率、電壓的調整有效解決了低壓，大電流的升壓難題。

（通訊作者：鄭軼）

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作者單位

1.山東省海洋環境監測技術重點實驗室 山東省青島市 266100

2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所 山東省青島市 266100

3.國家海洋監測設備工程技術研究中心 山東省青島市 266100

4.山東科技大學 山東省青島市 266000