高升壓比Boost電路的研究與設(shè)計

張 波，丁 玥，郭靜媛，趙智軒

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

DC/DC變換電路是電力電子技術(shù)的四種基本變換之一，是開關(guān)電源的主體部分。Boost電路是基本的升壓型的DC/DC變換電路，輸入直流電，可得到另一大小比輸入電壓高的直流電。Boost電路廣泛應(yīng)用于供電電壓低于負(fù)載所需電壓的場合下。理論上傳統(tǒng)的Boost電路升壓比可以很大甚至無限大，但傳統(tǒng)的Boost電路實際電路升壓比有限，升壓比即其輸出電壓和輸入電壓大小之比很難超過10，這在一定程度上給應(yīng)用帶來不便。

1 傳統(tǒng)的Boost電路

DC/DC變換電路把一種直流電變換為另一大小的直流電，分為輸入與輸出隔離型和輸入與輸出非隔離型兩種[1]。兩種類型都通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件開關(guān)切換和電感電容濾來實現(xiàn)直流電的變換。非隔離型的DC/DC變換常見的拓樸結(jié)構(gòu)有Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk電路、Sepic電路和Zeta電路，其中Buck電路和Boost電路是最基本的DC/DC變換電路。隔離型的DC/DC變換電路常見的拓?fù)溆袉味苏な?、單端反激式、半橋式、推挽式和全橋式等等。隔離型的DC/DC電路主電路用高頻變壓器隔離，控制電路通常用光耦器件進行隔離。隔離型的DC/DC主電路中變壓器除實現(xiàn)隔離外，通常還要實現(xiàn)變壓功能。

單從公式（2）看，占空比越接近于1，升壓比也就越高，輸出電壓甚至可為無窮大。但實際電路受電感的限制，受電路寄生參數(shù)和器件耐壓能力限制，升壓比通常不會超過10[3]。

2 高升壓比的Boost電路

用Boost電路實現(xiàn)高的升壓比，一種方法就是多個Boost電路進行級聯(lián)。這種方法可以實現(xiàn)很高的升壓比，但增加了器件數(shù)量和復(fù)雜性[4]，且電路效率等于串聯(lián)的各Boost電路的效率之積，效率偏低。顯然這種方面在一些場合不適用。另一種方法就是對傳統(tǒng)的Boost電路自身進行改進從面提高其升壓比。

圖2就是所設(shè)計的引入變壓器后的高升壓比的Boost電路。改進后的Boost電路用高頻自耦變壓器T替代傳統(tǒng)Boost電路中的電感。圖2中引腳1、引腳2和引腳3分別是高頻自耦變壓器的公共端、低壓端和高壓端。改進后的Boost電路控制方式和傳統(tǒng)的Boost電路一樣。開關(guān)管Q閉合時，電流從電源正極流出、經(jīng)自耦變壓器公共端1、低壓端2和開關(guān)管Q，回到電源負(fù)極。此時二極管D截止，變壓器的高壓端3相當(dāng)于懸空，變壓器T的低壓端2和公共端1相當(dāng)于電感儲能。開關(guān)管Q斷開時，二極管導(dǎo)通，變壓器儲存的能量釋放。開關(guān)管Q斷開，變壓器T的低壓引腳2相當(dāng)于懸空，變壓器T用高壓端3和公共端1相當(dāng)于電感，輸入直流電Ui和變壓器T通過二極管D一起給負(fù)載供電。變壓器T公共端1、低壓端2在開關(guān)管Q閉合時儲能，而其高壓端3和公共端1在開關(guān)管Q斷開時釋放能量，這和反激式電路的變壓器有些類似。

設(shè)計的高升壓比的Boost電路其輸入和輸出關(guān)系推導(dǎo)如下。電路穩(wěn)態(tài)時一個工作周期內(nèi)，自耦變壓器T鐵芯磁通增加的量ΔΦ1與其磁通的減小量ΔΦ2大小相等，不考慮符號，兩種情況下磁通變化量都記作ΔΦ。設(shè)自耦變壓器T高壓端3與公共端1之間線圈匝數(shù)為n1，變壓器T高壓端3與公共端1之間的電壓大小為U1，變壓器T低壓端2與公共端1之間線圈匝數(shù)為n2，變壓器T低壓端2與公共端1之間的電壓大小為U2，則變壓器變比為：

開關(guān)管閉合導(dǎo)通時，自耦變壓器T低壓側(cè)即低壓端2與公共端1之間的電壓U2：

開關(guān)管截止斷開時，已知自耦變壓器T高壓側(cè)即高壓端3與公共端1之間的電壓U1等于輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之差，也恒定，所以有：

綜合式（4）和式（5），可得：

由式（6）可得：所設(shè)計的一種高升壓比的Boost電路輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系，即升壓比為：

3 SiC器件

電力電子技術(shù)實現(xiàn)電能變換都是依靠電力電子器件開關(guān)切換完成，電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心之一，電力電子器件的發(fā)展會推動電力電子技術(shù)的發(fā)展。目前DC/DC變換、逆變和變頻中可控型器件在小功率場合下大都選用MOSFET，中大功率場合下都選用IGBT，GTR應(yīng)用得越來越少了?，F(xiàn)有電力電子變換所用器件無論MOSFET還是IGBT，二極管，大都是Si材料器件。Si材料半導(dǎo)體器件經(jīng)過多年發(fā)展，其性能已經(jīng)接近理論極限。價電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙稱為禁帶或帶隙。寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在2.3 eV及以上的半導(dǎo)體材料。硅材料的禁帶寬度為1.12 eV。寬禁帶電力電子器件能夠提供更高的工作頻、更低的損耗、更好的散熱以及更高的耐壓特性，被稱作新一代（第三代）電力電子器件。寬禁帶半導(dǎo)體器件是當(dāng)下研究的熱點，很多半導(dǎo)體企業(yè)都爭先恐后地研發(fā)的和推廣寬禁帶半導(dǎo)體器件。

在SiC的各類晶何類型中，4H-SiC鍵能高，在外界條件影響下不容易發(fā)生相變，是目前應(yīng)用較多的晶體類型[5]。同時，4H-SiC有較高的電子遷移率，電流密度較高，常被用作功率器件。相較于Si材料器件，SiC臨界場強高，能夠承受較高的電壓，若相同的耐壓，SiC材料芯片尺寸可以做得更小一些，因此其導(dǎo)通電阻可以更小。SiC材料的本征溫度可達800℃，熱導(dǎo)率是Si材料的2倍以上。因此SiC器件適宜用在高壓高溫場合下。SiC飽和電子漂移速度是Si材料的2倍，意味著SiC材料有著更高的工作頻率。目前，市場上的SiC材料功率器件主要有MOS管和二極管兩類。耐壓1 700 V的SiC MOS器件已經(jīng)推向市場幾年了，而Si材料MOS管最高耐壓目前只有1 000 V左右。SiC MOS管工作頻可達200 kHz，甚至數(shù)MHz[6]。SiC模塊的開關(guān)損耗比IGBT模塊少很多，這說明SiC模塊取代IGBT模塊，工作在IGBT不擅長的高頻場合下時不僅能工作頻率很提高很多，同樣條件下開關(guān)損耗也會下降不少。SiC材料的SBD二極管可實現(xiàn)更高的耐壓，市場化的SiC SBD反向耐壓已達1 700 V以上。SiC很大程上突破了Si材料SBD二極管耐壓限制，擴大了SBD的應(yīng)用范圍。SiC SBD替代Si材料FRD，可以工作在更高的頻率，更高的溫度下，且反向恢復(fù)電流會小很多，反向峰值電流幾乎不存在，開關(guān)損耗得到降低。

設(shè)計的高升壓比的Boost電路，輸出電壓可能會比較高。當(dāng)輸出電壓高于600 V時功率管開關(guān)管MOS管和二極管都選用SiC器件，其優(yōu)勢會比較明。全都用SiC器件，電路效率會有所提高 ，且可使系統(tǒng)工作在較高的頻率下，比如200 kHz以上。同樣的功率時，工作頻越高，濾波電感電容體積重量會也就可以更高。但頻率越高，開關(guān)損耗也就越大，在實際應(yīng)用時要根據(jù)需求取舍。全選用SiC功率半導(dǎo)體器件，系統(tǒng)散熱設(shè)計會更簡單些，散熱器件可輕小不少。

選SiC材料MOS管時，電路的控制方式和Si材料功率半導(dǎo)體器件的相同，但驅(qū)動方式必須要和SiC材料的MOS管相匹配，通常不能照搬Si材料MOS管的驅(qū)動電路，否則SiC MOS的很多優(yōu)勢就發(fā)揮不出來。MOS管工作在可調(diào)電阻區(qū)時，同樣條件下，驅(qū)動電壓越高，其等效電阻越小，因此MOS管閉合導(dǎo)通時要驅(qū)動電壓要盡可能高。SiC MOS需要的允許的最高驅(qū)動電壓通常比Si材料MOS管高不少，因此設(shè)計的驅(qū)動電壓也高不少。同時，為了讓SiC快速可靠地關(guān)斷，很多SiC MOS關(guān)斷時要加負(fù)壓。SiC MOS處在導(dǎo)通或關(guān)斷的穩(wěn)壓時所需的驅(qū)動功率非常小，但其在開關(guān)過程中仍需要一定的驅(qū)動功率。

4 結(jié) 論

用高頻變壓器替代電感，在傳統(tǒng)的Boost電路基礎(chǔ)上得到了一種高升壓比的Boost電路，其輸出電壓可達輸入電壓的30倍以上。采用SiC器件后，電路的體積更小、重量更輕、效率更高，整體性能得到不小的提升。