寬輸入DC-DC Boost變換器電感參數(shù)設(shè)計*

陳文奎，程為彬，郭穎娜

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710065）

寬輸入DC-DC Boost變換器電感參數(shù)設(shè)計*

陳文奎，程為彬，郭穎娜

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710065）

根據(jù)DC-DC Boost變換器的工作原理，給出電流連續(xù)模式時電感臨界參數(shù)的計算表達式。分析負載和開關(guān)頻率恒定時，臨界電感量與占空比的變化關(guān)系。重點研究寬范圍輸入時，電流連續(xù)模式下電感量的選取方法。通過仿真進行分析，結(jié)果與理論分析一致，驗證了電感參數(shù)選取的合理性。

DC-DC變換器；Boost變換器；電流連續(xù)模式；參數(shù)設(shè)計

0　引言

Boost變換器是開關(guān)電源常用拓撲電路之一，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域[1-2]，包含電感、電容和開關(guān)管等器件，這些器件的設(shè)計和選擇對電路的工作狀態(tài)有重要影響。在電流連續(xù)模式（CCM）Boost變換器中，儲能電感選擇過小，可能產(chǎn)生電流不連續(xù)的現(xiàn)象，影響電路的正常運行和輸出電壓；儲能電感選擇過大，不僅會導(dǎo)致電感上能量消耗過多，妨礙功率因數(shù)的進一步提高，而且會導(dǎo)致成本上升，造成浪費。為此，文獻[3]對Boost變換器電感參數(shù)的計算進行了討論，得出負載和開關(guān)頻率恒定、輸入和輸出電壓不變時，CCM模式下電感參數(shù)的選擇方法；而很多時候輸入電壓是在一個范圍內(nèi)變化的，此時電感參數(shù)會受到影響。因此，有必要對輸入電壓范圍變化時CCM模式下電感參數(shù)的選擇進行深入研究。

1　Boost變換器的工作模式

Boost變換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路如圖1所示。

圖1　Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)電路

根據(jù)電感電流的最小值是否為零，可將 Boost變換器工作模式分成電流連續(xù)模式(CCM)、電流臨界連續(xù)模式（CRM）和電流斷續(xù)模式(DCM)。CCM模式下Boost變換器電感電壓和電流波形如圖2所示。

Boost變換器的CCM模式和 DCM模式的臨界電感LB為[4]：

式中，D為占空比，TS為開關(guān)周期，UO為輸出電壓，IO為輸出電流。

圖2　CCM Boost變換器電感電壓和電流波形

當(dāng)電感 L=LB時，變換器工作于 CRM模式；當(dāng) L>LB時，變換器工作于 CCM模式；當(dāng) L

將IO=代入式（1），整理得：

式中，RL為負載電阻。

由式（2）可知，臨界電感量的選取與占空比、負載和開關(guān)管工作周期有關(guān)。當(dāng)負載和開關(guān)頻率恒定時，臨界電感量取決于占空比的大小。此時，若輸入/輸出電壓恒定，為保證變換器工作于CCM模式，電感L只需大于臨界值LB即可。若輸入電壓范圍變化，輸出電壓不變，臨界電感量的選取需要重新進行分析。

2　最小電感選擇

2.1臨界電感與占空比的關(guān)系

當(dāng)負載和開關(guān)頻率恒定時，臨界電感LB與占空比D關(guān)系如下：

圖3　F與D的變化曲線圖

當(dāng)負載和開關(guān)頻率恒定時，由于臨界電感LB正比于F，故LB與D的變化關(guān)系和F與D的關(guān)系一致。

2.2輸入電壓變化時電感設(shè)計

若輸入電壓 UI范圍變化，由于輸出電壓 UO不變，可知占空比D是范圍變化的。假設(shè)占空比D的最大值為Dmax，最小值為 Dmin，此時臨界電感 LB隨著 D也是范圍變化的，則臨界電感 LB必存在最大值 LBmax，使得輸入電壓變化時Boost變換器仍工作在CCM模式。因此，要使Boost變換器在寬范圍輸入時均處于CCM模式，電感L的最小值 Lmin必須等于臨界電感LB的最大值LBmax。由于臨界電感LB與占空比D的關(guān)系如圖3曲線所示，故電感L的選取分以下3種情形：

3　仿真驗證

為了驗證上述理論分析，對Boost變換器進行仿真研究。其參數(shù)如下：輸入電壓 UI為12 V～36 V，輸出電壓UO為48 V，負載電阻為 48 Ω，輸出濾波電容值為 100 μF，開關(guān)頻率50 kHz。

將輸入電壓范圍分12 V～24 V、12 V～36 V、33 V～36 V 3種情況進行討論。首先分析輸入電壓 12 V～36 V，其CCM模式電感的最小值確定方法如下：

(1)輸入電壓的變化范圍 12 V～36 V，得出占空比 D的變化范圍為0.25～0.75。

(2)由式（2）得出占空比在 0.25和 0.75時所對應(yīng)的臨界電感分別為67.5 μH和22.5 μH。

其中輸入電壓32 V，電感取值分別為22.5 μH、67.5 μH和71.1 μH時電感電流仿真波形如圖4所示，輸入電壓12 V和36 V的仿真結(jié)果由表2給出。

表1　輸入電壓、占空比和臨界電感的對應(yīng)關(guān)系

圖4　輸入32 V時電感電流仿真波形

表2　輸入電壓和電感變化時變換器工作模式

由圖4可知，輸入電壓32 V時，其臨界電感為71.1 μH。由表2知，輸入電壓12 V和36 V時，其臨界電感分別為22.5 μH和67.5 μH。當(dāng)電感值小于臨界電感時，Boost變換器工作在DCM模式；當(dāng)電感值大于臨界電感時，Boost變換器工作在CCM模式。

對圖4和表2進行分析，可得輸入電壓在12 V～36 V變化，電感值 71.1 μH能保證 Boost變換器均工作在CCM模式，而它正好是所對應(yīng)的臨界電感值。這說明當(dāng)時，要使Boost變換器均工作在CCM模式，電感的最小值應(yīng)為所對應(yīng)的臨界電感值。

當(dāng)輸入電壓在 12 V～24 V和 33 V～36 V兩種情況時，通過上述方法得到其最小電感為60 μH和 70.9 μH。3種情況的輸入電壓所對應(yīng)的電感選擇如表3所示。

表3　輸入電壓變化時電感的選擇

由表3可知，Boost變換器工作在 CCM模式時，其最小電感等于臨界電感的最大值。當(dāng)最大占空比時，最小電感在 Dmax處取得；當(dāng)最小占空比時，最小電感在 Dmin處取得；當(dāng)時，最小電感在處取得。由此可見，仿真結(jié)果與理論分析一致，從而驗證了理論分析的準確性。

4　結(jié)論

由于輸入電壓的變化，導(dǎo)致臨界電感值范圍變化。為保證Boost變換器均能工作在 CCM模式，所取電感的最小值應(yīng)為臨界電感的最大值，此時電感的選取分為3種情況進行討論并得出相應(yīng)結(jié)論。采用這種方法選取的電感不僅使 DC-DC Boost變換器電感的設(shè)計更加精準可靠，也為AC-DC Boost變換器電感參數(shù)的設(shè)計提供了指導(dǎo)意義。

[1]李冬，阮新波．高效率的BOOST型功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)節(jié)器[J]．中國電機工程學(xué)報，2004，24(10)：153-156．

[2]阮新波，嚴仰光．直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2000．

[3]皇金鋒.基于PSIM的Boost型變換器儲能元件參數(shù)選擇[J].電源技術(shù)，2011(9)：1136-1139.

[4]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]劉樹林，劉健，楊銀玲，等.Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(5)：119-124.

[6]劉樹林，劉健，陳勇兵.Boost變換器的輸出紋波電壓分析與最小電感設(shè)計[J].西安交通大學(xué)報，2007，41(6)：707-711.

[7]LiuShulin，Liu Jian，Mao Hong，et al.Analysis of operating modes and output voltage ripple of boost DC-DC converters and its design considerations[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(4)：1813-1821.

Parameter design of inductance in DC-DC Boost converter with wide range input voltage

Chen Wenkui，Cheng Weibin，Guo Yingna
(School of Electronic Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China)

According to the working principle of the DC-DC Boost converter,calculation expression of the critical inductance parameter is given in current continuous mode.When the load and switch frequency are constant,the relationship between critical inductance and duty ratio is analyzed.The selection method of inductance is key research in current continuous mode with wide range input voltage.The verification result is consistent with the theoretical analysis by simulation analysis,which means the parameter selection of inductance is reasonable.

DC-DC converter；Boost converter；current continuous mode；parameter design

TM4

A

0258-7998(2015)02-0146-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.036

陜西省工業(yè)攻關(guān)計劃(2013K07-14)

（2014-10-11）

陳文奎（1989-），男，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)。

程為彬（1970-），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：電力電子與電能質(zhì)量控制、智能儀器，E-mail：wbcheng@xsyu.edu.cn。

郭穎娜（1972-），女，碩士，講師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化。