boost升压斩波电路 分析

如果说通过开关间歇工作，实现“等效”降压的功能还不算神奇的话，“凭空”将直流电压升压的Boost斩波电路则体现了电力电子技术的精髓。1 Boost 升压斩波电路的推导电荷泵中的电容给了我们有益的启发，即电容短时间充电即可维持住电压。如图1所示的电路，是构成 Boost 升压斩波电路的基本原理之一：峰值电压采样保持电路。1) 如图1所示，分别用方波、正弦波、三角波通过二极管给电容充电，无论电源是何种波形，电容上总是保持电压峰值。  

2) 如图2所示为峰值电压保持电路带上负载以后的情况，负载越重，电压衰减越快。如需得到良好的峰值电压保持效果，则RC的时间常数应远大于输入信号重复周期。  

对于 Boost 升压电路来说，有了峰值电压保持电路，下一步就是如何获得短时间的高压了。三大基本元件中，电阻只能分压（降压），电容的特性是维持电压不变，只有电感可以产生高压。生活中经常能看到电感产生高压的例子，例如各种开关，插头产生的电火花。1) 如图3所示，开关SW1闭合时，电感L1上有电流流过，当断开SW1时，电感电流突降为零，这是不被允许的。于是L1上产生于V1相同方向的电压，试图维持电流不变。SW1如果是半导体开关，将会被轻易击穿，如果SW1是机械开关，那么L1上的高压将把空气击穿导电，于是电火花就产生了。  

2) 通常电火花都是有害的，电火花的温度足以局部熔化金属触点，但是如果把电感高压（图3）用“峰值电压保持电路”（图1）给提取出来，就成为如图4所示的 Boost 升压斩波电路了。  

利用稳态时，电感端电压平均值为零的特性，同样可以很容易得出 Boost 电路的输入输出电压关系式。1) 开关闭合时，Boost 等效电路如图5所示（注意图中各电压的正方向），此阶段的电感电压表达式为：

 （1）

2) 一般分析电力电子电路原理时，均忽略二极管导通压降，所以开关断开时，Boost 等效电路如图6所示，此阶段的电感电压表达式为：

 （2）

3) 根据电感端电压平均值为零，可得式3，式中D为占空比（duty）。由于D小于等于1，所以 Boost 电路为升压电路，占空比越大，输出电压越高。

 （3）2 Boost 升压斩波电路的仿真下面分别从负载轻重，电感大小，开关频率几方面来对图7的 Boost 电路进行瞬时现象仿真。仿真时间段均选取1s以后，显示电路完全稳定后的波形。  

大电感轻负载。与 Buck 电路类似，大电感总是能保证电感电流连续。图8所示为 1mH电感、1kΩ负载时的 Boost 电路瞬时现象仿真，开关频率50kHz、占空比60%。1) 当电感L1电流连续时，开关SW1的电压波形VF1将是方波。开关闭合，VF1电压为零；开关断开后，二极管D1导通，VF1电压将比UO电压高出一个二极管管压降。图2中，开关断开后VF1电压为12.54V，比UO电压11.95V高出约0.6V，正好是D1的管压降。 2) SW1闭合时，电感L1储能，负载由C1供电，电压下降；SW1断开时，电感L1储向负载供电并对C1充电，UO电压上升；由于负载很轻（RL为1kΩ），所以UO的纹波非常小（约2mVpp）。C1等效串联电阻对输出纹波的影响可自行仿真分析。  

3) 输出电压的理论值计算如式1所示，为12.5V，误差主要由二极管D1的管压降引起。因为公式1推导时将D1导通看成无压降的导线，考虑D1有0.6V的管压降（普通二极管），修正后的UO理论值是11.9V，与仿真值非常接近。  

 （1）如图9所示为大电感重负载情况下的瞬时现象仿真波形。输出电压出现很大的纹波（约为1.5Vpp）。1) 虽然电感电流连续，但由于 Boost 电路负载端（包括滤波电容和负载）电流不连续，所以当电感不对负载端供电时，负载的电流完全来自滤波电容。 2) 负载的轻重严重影响输出电压的纹波，简单说就是负载越重，纹波越大。  

3) 如图10所示，增大输出滤波电容C1可以减小输出电压纹波。总的来说，就是RC时间常数越大，纹波电压越小。  

电感的大小不影响纹波。如图11所示，将电感减小为10uH，电容C1维持100uF，纹波与电感量1mH时的情况差不多（约为1.5V)。1) 分析这一现象原因时，只需考虑开关SW1闭合以后即可。这时的电路完全是RC放电，与电感L无关，RC时间常数决定UO衰减的速率，SW1闭合多长时间，UO就会相应衰减一定的电压。 2) 电感对“RC负载”起作用的时间是开关SW1断开阶段，稳态时电容电压UO放掉多少，就会被电感充上多少，所以只要放电曲线“样子”确定了，充电的“样子”也就没跑了。因此，锯齿状纹波的大小与电感关系不大。  

前面的分析都是电感电流连续的情况，无论是大电感还是重负载都可以保证电感电流连续。当轻负载时，如果电感不够大，则非常容易发生电感电流不连续的情况。如图12所示，负载为1kΩ，电感减小到10μH。1) 首先，可以观察到开关断开阶段，VF1的电压不在总是“跟随”UO变化，当二极管D不导通时，VF1电压将是不定值（振荡之后趋近于V1）。 2) UO的输出电压远高于11.9V的理论值。与 Buck 电路电感电流不连续时推导的过程类似，TOFF将由两段时间组成，电感有电流时间段TOFF1和电感无电流时间段TOFF2，公式1修正为公式2。

 （2）3) 根据图6上的估计读数，TON时间约为TOFF1的7倍，所以根据式2输出电压应为40V，这与仿真结果也大致吻合（误差来源于式1忽略了VF1的振荡电压）。 4) 当负载为空载时，TOFF2将远大于TOFF1，此时UO将会产生意外高压，击穿滤波电容等低耐压器件。所以，Boost 电路不能空载使用，至少应接一个大阻值的“假负载”。  

由于电路中感抗与容抗才是实质起作用的物理量，所以提高开关频率总能解决“手头有点紧”的难题（电感或电容不够大）。如图13所示，将开关频率提高到2MHz以后，虽然电感L只有10μH，滤波电容C1只有100uF，但是电感电流连续，输出电压纹波也非常小。