一种新型双级Boost升压拓扑结构
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摘 要 传统的单级Boost升压电路拓扑结构升压幅度有限，不适用于升压幅度较大的场合。本文提出了一种新型双级boost升压电路拓扑结构，它由两组单独的单级Boost升压电路组合而成，可以有效的解决该问题。仿真结果证明了这种新型拓扑结构的有效性。
关键词 双级Boost升压变换；拓扑结构；pspice仿真；逆变升压
中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0054-03
随着社会的发展，逆变电源在人们的生活中扮演者越来越重要的角色。在逆变电源中经常采用“升压—逆变”结构，升压一般是将蓄电池低电压升压至315 V，再经逆变、滤波器滤波而得到工频电压。升压部分有很多种拓扑结构，例如推挽式、Boost式等升压拓扑结构。
Boost拓扑结构的硬件电路比较简单，升压电感的设计也较为容易，且转换效率也比较高，大部分Boost电路转换效率都在0.92以上，因此在需要升压场合下应用较为广泛。但是单级Boost升压拓扑结构的升压比较小，如果升压幅度较大，就比较容易使开关管开通占空比较大，甚至接近于1。但是Boost电路一般是不允许开通占空比超过0.88的，因为开关管在开通占空比超过0.88后将失去升压作用，况且较大的开通占空比会导致开关管的温升和损耗过大，严重时会导致开关管损坏以至于整个电路无法正常工作。实际上开关管的开通占空比一般不超过0.85。
目前很多升压幅度较大，但功率不太大的场合下会优先采用推挽式变换器来实现升压，但是在大功率场合下，Boost升压器仍然是首选的电路拓扑结构。本文提出的一种双级的Boost升压电路拓扑结构可以有效的解决单级Boost电路的升压幅度有限问题，并且更适用于大功率场合。
1 单级Boost升压电路
传统单级Boost电路拓扑结构如图1所示，有3种工作模式：连续导电状态、不连续导电状态以及临界状态。本文采用连续导电状态。
图1 单级Boost拓扑结构图
在电路稳定工作时，其工作过程分为如下两个步骤。
1）开关S处于A状态时，流经储能电感L的电流线性增大。由于二极管D此时不导通，电容器C只能经由负载放电，向负载提供续流，维持负载上的输出电压Vo不变。当电感电流增大到一定程度时，开关S由状态A变为状态B。
2）开关S处于B状态时，储能电感L内电流逐渐变小，同时储能电感L两端产生一个正向电动势，并使二极管D导通，储能电感L产生的感应电动势与直流电源电压叠加，同时作用在电容器C与负载上，为电容器C充电，并向负载提供一个高于直流电源的电压Vo。当经过储能电感L的电流减小的一定程度时控制开关S转换到A状态，然后重复步骤1）和步骤2）。
负载波形如图2中Vo所示。
图2 单级Boost开关状态及输出波形图
其中，Ts为开关周期，Vs为开关状态，设开关在A状态时为“1”（表示实际电路中开关管导通），在B状态时为“0”（表示实际电路中开关管关断），Vo为输出电压波形，ton为开通时间且有
（1）
单级Boost电路的输出电压与输入电压的关系如下：
（2）
其中，D为开通占空比，一般来说应满足0
2 双级Boost升压电路
2.1 双级Boost拓扑结构
双级Boost升压电路就是将由单级Boost电路完成的任务换成由双级串联的单级Boost电路来完成的电路。其原理图拓扑结构如图3所示。
图3 双级Boost升压拓扑
该拓扑结构由两组Boost结构串联构成。图中，直流电源DC、L1、S1及C1组成第一级Boost升压结构，L2、S2及C2组成第二级Boost升压结构，负载上电压作为输出电压Vo。其工作原理为，先由第一级将低级电压Vi变换成较为合适的中级电压Vm，再由第二级将中级电压变换成为需要的高级电压Vo并输出。由于每一级都有可以相当于一个单级的Boost电路，所以该电路比单级的Boost有更大的升压空间。
2.2 双级Boost电路工作过程
由图2可知，单级Boost负载上的电压处于比直流电源较高的水平，并且比较稳定，可以当作另外一个直流电源来看待。如此，在该拓扑结构中，第二级Boost电路即可再次对第一级Boost的输出电压进行提升，使输出电压达到一个更高的水平。
设第一级Boost升压电路的开通占空比为D1，第二级Boost升压电路的开通占空比为D2，输入电压为Vi，中级电压为Vm，输出电压为Vo，则有如下关系：
（3）
（4）
所以，
（5）
2.3 与传统单级Boost电路的比较
由于两级的开通占空比D1、D2是独立的，D1、D2均可达到一个较大的值，因此由（5）式可以看出，当输入电压固定时，双级的Boost电路可以更容易达到更高的输出电压。
另一方面，当输入电压和输出电压均已知且固定，而整个电路需要一个较大的升压幅度时，单级Boost电路的开通占空比较大且固定，若是升压幅度特别大，此电路开关管的开通占空比将会超过0.88，从而无法实现。而双级Boost电路则可以通过设置一个合适的中级电压Vm，有效的将整体电路的升压负担分给两级，使每级Boost电路都可以工作于较小的开通占空比。相比单级Boost电路的大开通占空比而言，可以有效的保证整个电路的可靠性。其次较小的开通占空比可以有效的降低开关管的损耗和发热量，有利于维持整个电路的稳定性。另外中级电压Vm的合理设置也使整体电路的设计更加灵活，可以满足不同电路的需要。
在实际电路设计过程中，由单片机或者DSP等控制芯片来控制两个开关管的开通与关断已经十分普遍。首先由电压检测电路将每级的Boost输入电压进行处理并送入控制芯片，然后由控制芯片根据设计好的程序来输出控制信号。由于蓄电池在放电过程中输出电压会出现一定的波动，故在设计时应该考虑到其输出电压最低时的电路工作情况，设计程序时也应考虑到动态检测每级Boost的输入电压，根据不同时期的不同输入电压来调整输出控制信号的开通占空比，这样才可以保证整个电路持续工作在稳定状态。
3 仿真验证
设蓄电池输出电压为24 V～48 V，升压部分将此电压提升至315 V。如果采用单级Boost升压电路结构的话，开关管开通占空比将达到0.92，超过了开关管可以稳定工作的0.88的限制，从而容易引起电路的工作不稳定，甚至烧毁开关管。而采用双级的Boost电路，则可先将蓄电池低电压提升至120 V后，再提升至315 V，这样，第一级的开关管的最大开通占空比为0.8，工作频率为10 kHz；由于第一级的输出电压是固定的120 V直流电压，所以第二级的开关管的开通占空比固定为0.61，工作频率为10 kHz，满足开关管正常工作的条件。
利用该双级Boost升压电路进行仿真，第一级输出电压为120 V，第二级输出电压为315 V，工作功率为1 kW，故以100 Ω电阻来作为负载。令输入电压分别为24 V、36 V、48 V时来观察输出波形，通过计算可知第一级Boost的开通占空比分别为0.8、0.7、0.6，第二级Boost的开通占空比为0.61。利用pspice仿真结果如图4所示。
图4 三种输入电压时的输出
其中，（a）图为输入电压为24 V时的输出仿真结果，（b）图为输入电压为36 V时的输出仿真结果，（c）图为输入电压为48 V时的输出仿真结果。
下面那条线为第一级Boost的输出电压，在3张图中，稳定时均为120 V，与预期结果要求相符；上面那条线为第二级Boost的输出电压，在3张图中，稳定时均为315 V，也与预期结果要求相符。
通过观察仿真结果可发现，输入电压越高，整个电路进入稳定状态越快，因此在启动整个电路时最好使用较高的电压。在进入稳定状态后，虽然由于蓄电池的放电，蓄电池输出电压会出现一定的波动，但是变化速率相对说来还是比较慢的，而通过单片机或DSP等控制芯片的实时控制，可以很快的调整开关管的开通占空比，使电路输出电压不至于受到蓄电池输出电压波动的干扰而产生变化，从而使输出电压稳定。
4 结束语
本文提出了一种两级Boost升压变换器拓扑结构，主要用于大功率逆变器的升压部分。相比于单级Boost拓扑结构，本结构可有效的解决传统单级Boost不能大幅度的提升电压的问题。由于本结构中的每一级Boost都可以当作单独的单级Boost来看，故提升电压幅度大大增加；当输入电压、输出电压固定时，可以通过合理设置中级电压，实现每级开关管的开通占空比都处于较小的值，从而保证电路可以可靠的工作。
本拓扑结构的一个缺点是进入稳定状态的时间较长，且伴随有较大的高压脉冲在使用时应注意以下两点。
1）在允许范围内尽可能使用较高的电压启动。通过分析可知整个电路拓扑在较高输入电压时进入状态较快。由于使用单片机或DSP等控制芯片对直流电源输出电压进行实时检测，并相应的进行开关管开通占空比的调整，此过程相对于蓄电池输出电压变化的速率来说是相当迅速的。因此当电路进入稳定状态后，单片机或DSP等控制芯片就可以迅速的调整控制信号的输出，从而保证了输出电压的稳定。
2）而高压脉冲就要求使用本结构时应注意防止高压脉冲对整个电路的冲击及影响。
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作者简介
王海超（1989-），河南省鹤壁市淇县人，硕士研究生在读，主要研究方向：逆变电源及硬件的开发和设计。