Boost电路原理分析及其元件参数设计 |
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Boost电路又称为升压斩波电路(Boost Chopper),是一种典型的直流变换电路。这种电路广泛应用于开关电源、直流电机传动、光伏发电系统以及电动汽车的驱动控制等领域。 1 Boost电路原理图1是Boost电路的原理图,从图中可以看出,该电路由开关管VQ、电感L、输入滤波电容Cs、输出滤波电容C、二极管VD和负载R组成。其中开关管VQ的控制端需要输入驱动信号来控制其导通和截止,工程应用中驱动信号通常采用PWM的方式来实现。 图1 Boost电路拓扑结构图 当控制端的输入信号 图2 Boost电路VQ导通时等效电路图 当控制端的输入信号 图3 Boost电路VQ截止时等效电路图 通过给开关管输入PWM控制脉冲,VQ的开关状态不断变化,重复着上述过程,最终使得电路的输出电压高于输入电压。Boost电路的工作波形如图4所示。 图4 Boost电路工作波形图 2 Boost电路的工作模式 Boost电路根据电感上的电流 (1)输入信号的纹波电流 纹波电流通常用峰峰值来表示,即 (有时纹波电流也可以用峰峰值的一半来表示,即 (2)波动电流的平均值 注: 式中 图5 Boost电路CCM模式下电感电流波形图 通过图5可以看出,Boost电路工作在CCM模式时 CCM模式下纹波电流 CCM模式下波动电流的平均值 上式可以说明 综上所述,Boost电路工作在CCM模式下需要满足的条件为: 图6 Boost电路BCM模式下电感电流波形图 通过图6可以看出,Boost电路工作在CCM模式时 BCM模式下纹波电流 BCM模式下波动电流的平均值 上式同样可以说明 由于
通过图7可以看出,Boost电路工作在DCM模式时 DCM模式下纹波电流 DCM模式下波动电流的平均值 在DCM模式下 综上所述,Boost电路工作在DCM模式下需要满足的条件为: (1)当 时,Boost电路工作在连续导通模式(CCM) (2)当 时,Boost电路工作在临界导通模式(BCM) (3)当 时,Boost电路工作在非连续导通模式(DCM) 3 Boost电路在CCM模式下的元件参数设计 Boost电路通常工作在CCM模式下,所以本文主要研究CCM模式下Boost电路的元件参数设计。为了更好的表述和理解,首先对以下变量进行说明: (1)输入电压 由于电感上的能量遵循守恒原则,即吸收的能量等于释放的能量,如图4(d)所示。根据伏秒平衡公式可得: (2)输入电流 假设电路工作在理想状态下电路无损耗,即: (1)求电感上的纹波电流 已知电感的VCR: ① 在 此时 ② 在 此时 综上所述,在CCM模式下电感上的纹波电流 (2)通过上述分析可知,CCM模式下电感上的纹波电流 而电感上的电流 另外,根据第3节对Boost电路工作模式的分析可知,在CCM模式下有: 则有: 由此得出,要使Boost电路工作于CCM模式下,其电感L的取值必须满足下述条件: (注意:上式中的 (3)设计Boost电路电感L的参数时,不仅要考虑电路的工作模式,还要考虑电流的纹波率 已知: 所以: 若电路的电流纹波率要满足: 比较上面两个电感L的取值条件,由于纹波率指标 (4)令: 当 要满足 (5)综上所述,Boost电路工作在CCM模式下,且电流纹波率小于 特别的,当占空比D可以取1/3时,电感L的取值需满足的条件又可以表述为: 相对于储能电感的参数设计,输出滤波电容的参数设计要简单一些,只需要考虑输出电压纹波率的指标 首先求输出滤波电容C上的纹波电压 代入参数可得: 所以: 要求输出电压纹波率小于 综上所述,Boost电路在满足输出电压纹波率小于 在CCM模式下,假设电感L的纹波电流 其中 其中 要求Boost电路工作在CCM模式,且要求电流纹波率小于 (1)储能电感L的参数选取: 特别的,当电路的占空比D可以取值1/3时,上式可写为: (2)输出滤波电容C的参数选取: (3)输入滤波电容Cs的参数选取: |
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