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升压式变换器的工作原理是什么?

工程师邓生 来源:电子工程师小李 作者:电子工程师小李 2021-06-13 09:08 次阅读

升压式DC/DC变换器,简称升压式变换器,英文为BoostConverter,也称Boost变换器,也是常用的DC/DC变换器之一。升压式变换器能将较低的直流电压变换成较高的直流电压,例如将1.5V或3.7V电压变换成12V或5V电压。降压式变换器的损耗较小,效率较高,主要应用于由电池供电的便携式设备,例如智能手机智能水表和煤气表等。

升压式DC/DC变换器的拓扑结构

升压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-2-1所示。图中U I 为直流输入电压,VT为功率开关管,VD为续流二极管(也称升压二极管),L为储能电感(也称升压电感),C为输出滤波电容,U O 为直流输出电压,R L 为外部负载电阻。脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断,是变换器的控制核心。

升压式变换器的工作原理是什么?

图2-2-1升压式DC/DC变换器的拓扑结构

升压式DC/DC变换器的工作原理

升压式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制(PWM)信号的控制下,交替地导通与关断(也称截止),相当于一个机械开关高速地闭合与断开,其工作原理如图2-2-2所示。图2-2-2(a)和图2-2-2(b)分别示出了VT导通和关断时的电流路径,为了便于电路分析,图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当VT导通(即S闭合)时,如图2-2-2(a)所示,输入电压U I 直接加到储能电感L的两端,续流二极管VD截止。因为L上施加了U I 的电压,使其电流I L 线性地增加,电感储存的能量也在增加,电感的感应电动势为左“+”右“-”。在此期间,输入电流(即电感电流I L )提供的能量以磁场能量的形式存储在储能电感L中。同时滤波电容C放电为负载R L 提供电流I O ,电容C的放电电流I 1 与负载电流I O 相等。

升压式变换器的工作原理是什么?

图2-2-2升压式DC/DC变换器的工作原理

当VT关断(即S断开)时,如图2-2-2(b)所示,由于电感电流不能发生突变,因此在L上就产生左“-”右“+”的感应电压,以维持通过电感的电流I L 不变。此时续流二极管VD导通,L上的感应电动势与U I 串联,储存在L中的磁场能量转化为电能,以超过U I 的电压向负载提供电流,并对输出滤波电容C进行充电。电感电流I L 为电容充电电流I 2 和负载电流I O 的总和。

小贴示

升压式变换器是在功率开关管关断时向负载传输能量,属于反激型变换器。

升压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-2-3所示。PWM表示脉宽调制波形,t ON 为功率开关管VT的导通时间,t OFF 为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。U C 为功率开关管VT的集电极电压波形。I C 为VT的集电极电流波形。I F 为升压二极管VD的电流波形,I L 为电感电流波形。可以看出,功率开关管VT导通时,其集电极电压U C 为零;在VT关断时,其集电极电压U C 等于输出电压U O 。在功率开关管VT导通期间,电感电流线性增加;在VT关断期间,电感电流线性减小。电感电流I L 是由VT的集电极电流I C 和升压二极管VD的电流I F 叠加形成的。

升压式变换器的工作原理是什么?

图2-2-3

升压式DC/DC变换器具有以下特点。

① 输出电压U O 》U I ,故称之为升压式变换器。U O 与U I 的关系为U O =U I /(1-D),通过控制占空比D的大小就能改变输出电压。

② 输出电压U O 与输入电压U I 的极性相同。

③ 功率开关管VT承受的最大电压U CE =U O 。

④ 功率开关管VT的集电极最大电流I C =I O /(1-D)。

⑤ 升压二极管VD的平均电流I F =I O 。

⑥ 升压二极管VD承受的反向电压U R =U O 。

升压式DC/DC变换器的集成电路产品有LM2577、MAX1599和LT3467等。

责任编辑:lq6

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