集成雙升Boost電路的充電器設計

周作輝 方益

摘? 要：常規的充電器一般是用從AC電路變成DC電路，然后由DC電路進行進一步轉換得來，一般有兩種拓撲：一種是Boost電路或者Buck電路，直接通過電感外加二極管進行電壓的轉換，這種方式不帶隔離;一種是帶隔離變壓器的轉化器，一般是通過反激電路或者正激電路來實現。一般設計人員都會熟悉地應用到這兩種方式，但在如今越來越要求體積小的場合下，上述兩種設計方案設計出的充電器都過于笨重，占用體積過大而使得在特定的機器結構中無法實現。本文在這里提出一種新的實現方案，可以在盡量小的空間中，特別是在UPS中，在本就存在的雙升Boost電路的基礎上，集成一種充電器的方案。

關鍵詞：雙升Boost電路;AC電路;DC電路

中圖分類號：TM910.6;TM46? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0027-03

Integrated Dual Boost Circuit Charger Design

ZHOU Zuohui，FANG Yi

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：The general charger is generally used from AC circuit to DC circuit，and then the DC circuit for further conversion，there are two topologies：one is Boost circuit or Buck circuit，directly through the inductor diode voltage conversion，this way without isolation;One is the converter with isolation transformer，generally through the back circuit or forward circuit to achieve. Both of these methods are familiar to designers，but in today’s increasingly small-size environment，both of these charger designs are too bulky and take up too much space to be implemented in specific machine structures. In this paper，a new implementation scheme is proposed to integrate a charger scheme in a small space，especially in UPS，on the basis of the existing dual Boost circuit，a scheme of integrating a charger is proposed..

Keywords：dual Boost circuit;AC circuit;DC circuit

0? 引? 言

在常規的UPS或者充電系統電源中，在自帶PFC功能的雙升Boost電路中，可以充分利用Boost電路原本就存在的電感器、BUS電容，還有額外增加部分電路來完成一種充電器的設計。本電路需要增加多兩個重要的輔助二極管、兩個MOS管或者IGBT等功率器件來完成充電功能，此外還需要一些保護電路來保證充電電路的完整。具體描述為：一種電路（如圖1所示）轉化器耦合至AC/DC轉換器，一個備用電池端，第一、第二電容元器件，第一、第二電感元器件（PFC自帶）。該電路轉化器可以配置為：在該電路的工作組合下，在AC電源轉化為DC正電壓的工作期間，可以通過第一電感元器件，將AC電源轉化成DC正電壓的同時[1]，通過第二電感元器件利用存儲在第二電容器中負的DC電壓為備用電源提供充電電壓。同樣在本電路的操作下，即AC電源通過第二電感元器件轉化為DC負電壓的同時，通過第一電感元器件使用存儲在第一電容元器件中的DC正電壓來為備用電源提供充電電壓。在上面所說的工作組合下，就可以利用雙升Boost電路來完成一種集成充電器的設計和實現。

1? 集成雙升Boost電路系統組成

該電力轉換器必須包括一個輸入連接器和中性輸入連接點的AC輸入源。該AC電力輸入端被配置為接收的AC輸入電壓源。該電力轉化器還包含了一個被配置為相對中性輸入連接端的正的DC電壓的第一電容元器件，還有一個被配置為相對中性輸入連接端的負的DC電壓的第二電容元器件，以及具有轉化正DC電源的第一電感元器件和轉化為負DC電源的第二電感元器件[2]。該電路轉化器還包括了一個連接著第一端連接點和第二連接點并且無中心連接點的電池。該電力轉化器電路可以耦合到輸入AC電源端。除此之外，該電路轉化器還包含了一個充電器，可以由正的DC電壓或者負的DC電壓在對應的配合下源源不斷地為上述提及的充電器進行充電。

2? 集成雙升Boost電路系統工作原理

（1）在集成了Boost雙升電路的充電器設計方案中，首先我們來分析當市電處于正向電壓的時候：此時輸入AC電壓為正，在正向的Boost電路中，Q22、Q24、Q26三個并聯的IGBT同時開通，正向電流從AC端流過第一電感元器件L1，再流過并聯的三個功率器件Q22、Q24、Q26，再流到N點中性連接點;在這個過程中，AC輸入電壓源被第一電感元器件L1限流，同時在L1中儲存了能量。

（2）緊接著并聯的Q22、Q24、Q26同時關斷，第一電感元器件L1上的電壓反向，隨后AC輸入電壓加上第一電感元器件L1上的反向電壓同時向正的DC電壓充電，此時電流由AC輸入端流向第一電感元器件L1、續流二極管D33、+BUS電容，再流到N點中性連接點。

（3）同時在輸入AC電壓源向+DC電壓充電的同時，充電器開始了充電過程：Q24MOS管處于PWM開關斬波狀態，而位于Q24下端的Q25則在市電的正半周期區間，一直處于ON開通的狀態;當Q24處于ON開通的狀態時，AC輸入電壓源經過Q24，再流經Q25，再留經第二電感元器件L2，再經過輔助的反向續流二極管D20導通，最終再流到N點中性連接點。在此過程中，Q23、Q25、Q27一直處于關斷OFF的狀態，D35由于兩端電壓反向而一直處于關斷的狀態。此時通過Q24的導通，AC輸入電壓源不僅對正半周的第一電感元器件L1進行了充電，也對本來只負責負半周升壓的第二電感元器件L2進行了充電。這個過程與常規的Boost電路不同的地方就在于：常規的Boost電路只能由輸入電壓源對第一電感元器件或者第二電感元器件其中一個充電，但在本集成充電器的設計方案中，輸入電壓源可以同時對第一電感元器件和第二電感元器件充電，其中一個電感元器件的功能是實現升壓功能，向BUS充電;而另一個電感元器件的充電則可以被利用來為充電器充電。

（4）隨后當Q24關斷的時候（如圖2所示），第二電感元器件上的L2兩端電壓反向，表現為左負右正，隨后電流由L2流向輔助的充電二極管D16、充電電源的正端導通二極管D19、充電電源的正端BAT+輸入端，流過充電電源的內部，再經過充電電源的負端BAT-流出，然后再經過充電電源的負端導通二極管D23，經過充電器保護二極管D22、保護晶閘管Q27，再通過一直處于開通狀態的Q25回到第二電感元器件，完成一個充電的完整過程。此時由于Q24已處于關斷的狀態，所以AC輸入電壓源不會干擾到整個充電回路的正常工作。

（5）當輸入AC電壓為負壓的時候，在負向的Boost電路中，換成了處于下半位置的Q23、Q25、Q27三個并聯IGBT同時開通，負電流從N點中性連接點，流向Q23、Q25、Q27，再經過第二電感元器件L2，最后路過整流作用的晶閘管Q20再流回到AC輸入電壓源。在這個過程中，第二電感元器件L2發生限流動作，并且同時儲存了能量。

（6）緊接著剛才處于開通的三個并聯IGBT——Q23、Q25、Q27同時關斷，第二電感元器件L2兩端電壓發生了反轉，此時電流從N點中性連接點經過負的DC電壓源，到負BUS，再經過負半周的續流二極管D35，流過第二電感元器件L2，經過整流晶閘管Q20回到AC輸入電壓源，完成一個完整周期的負BUS充電過程。

（7）在輸入AC電壓為負壓的這段時間區間中，充電器同時也在工作：此時Q24由PWM開關狀態變成了一直ON的狀態，而剛才一直處于ON狀態的Q25 MOS管則變成了PWM斬波開關管。當Q25處于ON開通狀態的時候，充電電流從N點中性連接點通過輔助二極管D18進行續流，然后通過第一電感元器件L1，再經過Q24、Q25、Q20完成一個完整的充電回路，此電流對第一電感元器件L1進行儲能。

（8）當Q25變成關斷OFF狀態的時候（如圖3所示），此時第一電感元器件L1兩端電壓反轉，第一電感元器件會將感應電壓釋放，對充電電源進行充電，具體回路如下：L1此時兩端電壓反轉變成了左正右負，充電電流流過Q24、晶閘管Q26、二極管D21、保護二極管D19、充電電源BAT+、充電電源內部、充電電源BAT-，再流到保護二極管D23、續流二極管D17完成一次充電過程。

3? 結? 論

本文給出了一種在雙升Boost電路的基礎上集成充電器的設計方式，設計方式新穎實用，具有很高的可操作性。這不僅僅是一種新的充電器設計思路，也是一種更加符合當今要求體積越來越小的機器設計方案，在成本上有巨大的優勢，充電可靠性也非常高，值得有興趣的工程師實踐設計與運用。

參考文獻：

[1] Colonel William T McLyman.Transformer and Inductor Design Handbook [M].CRC Press，2011.

[2] 王兆安，劉進軍.電力電子技術 [M].第5版.北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：周作輝（1991.04-），男，漢族，廣東汕頭人，本科，研發工程師，研究方向：大功率電源開發與設計。