直流升壓電路原理

直流升壓技術(shù)是將不可調(diào)的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)或固定的直流電壓的工程技術(shù)，一種方法是利用電感的儲(chǔ)能作用和電容的濾波作用進(jìn)行升壓；另一種方法通過高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖，再通過脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值，繼而應(yīng)用脈沖整流技術(shù)來獲得高壓直流電。直流升壓過程是依靠一個(gè)用開關(guān)調(diào)節(jié)方式控制電能的變換電路，即DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)的。DC-DC變換器的核心部件是一類由晶體二極管、儲(chǔ)能器(或變壓器)、電容及感應(yīng)器組成的開關(guān)變換器，其輸出電路通過由電容組成的低通濾波器對(duì)電流的整流，實(shí)現(xiàn)高壓直流電的輸出。

直流升壓技術(shù)的不斷更新與完善，很大程度上影響了DC-DC變換器拓?fù)涞难莼?。高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小體積是DC-DC變換器的發(fā)展方向。目前，直流升壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于使用電池供電的便攜設(shè)備中，大功率直流輸電技術(shù)、光伏電站等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

一、直流升壓電路的原理及分析

直流升壓電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器，在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。按照電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要分為隔離型和非隔離型電路。

1、非隔離型電路

非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括BUCK電路、BOOST電路、CUK電路、SEPIC電路等，其中BUCK電路是直流降壓電路，而BOOST升壓電路的應(yīng)用最為廣泛，也是后面兩種電路的基礎(chǔ)。因此本節(jié)著重介紹BOOST升壓電路的原理及特點(diǎn)。

BOOST升壓電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，實(shí)際的電路中開關(guān)一般為IGBT元件(絕緣柵雙極型晶體管，是由BIT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTK的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn))或可控硅元件等代替，相應(yīng)的控制信號(hào)有基于PWM技術(shù)的脈沖發(fā)生器來提供。

根據(jù)模擬電路分析開關(guān)s閉合與斷開情況，結(jié)合電路理論的基本知識(shí)，可以推出輸出電壓。

綜上所述，BOOST電路的升壓過程是電感的能量傳遞過程。充電時(shí)，電感吸收能量；放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，就可以在輸出端放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過程不斷重復(fù)。就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。

電路中的二極管主要起隔離作用，即在開關(guān)閉合時(shí)，二極管的正極電壓比負(fù)極的電壓低，此時(shí)二極管截止，使此電感的儲(chǔ)能過程不影響輸出端電容對(duì)負(fù)載的正常供電：因在開關(guān)斷開時(shí)，兩種疊加后的能量通過二極向負(fù)載供電，此時(shí)二極管正向?qū)ǎ笃湔驂航翟叫≡胶茫M量使更多的能量供給到負(fù)載端。

非隔離型DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，電路所需的器件數(shù)量較少，且易于設(shè)計(jì)和控制但同時(shí)也受到輸入輸出電壓比的限制，無法適用于電壓轉(zhuǎn)換比例較大的場(chǎng)合，也無法達(dá)到電氣隔離的要求，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于小功率設(shè)備中。

2、隔離型電路

隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括“反激式電路”、“正激式電路”、“推挽式電路”、“半橋式電路”、“全橋式電路”及山這些基本電路衍生出來的相關(guān)電路。

這種電路的基本工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖一一脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值一一脈沖整流獲得高壓直流電。

其中推挽式直流升壓電路應(yīng)用較為廣泛，同時(shí)，推挽式電路經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動(dòng)和電流脈動(dòng)都很小，因此只需要一個(gè)很小的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感，就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。罔因此，推挽式電路是一個(gè)輸出電壓特性非常好的開關(guān)電源。

推挽式電路的主要缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)長期工作或經(jīng)常大功率運(yùn)行時(shí)，電路很容易產(chǎn)生磁通不平衡的現(xiàn)象，即偏磁現(xiàn)象，容易燒毀關(guān)管及相關(guān)器件。推挽式電路另一個(gè)缺點(diǎn)就是電路的開關(guān)管的關(guān)斷耐壓值較大，相對(duì)于其他幾種電路，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍。因此，推挽式電路很少在高壓輸入時(shí)使用。

二、直流升壓電路的應(yīng)用

直流升壓技術(shù)滿足使用電池等直流供電源的設(shè)備在運(yùn)行時(shí)對(duì)較高的直流電壓的需求，在手機(jī)、傳呼機(jī)等無線通訊設(shè)備、照相機(jī)閃光燈、便攜式安檢儀、電蚊拍等得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，大功率直流輸電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、不間斷電源(UPS)技術(shù)的發(fā)展也離不開直流升壓技術(shù)的應(yīng)用。

1、在LED驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品的應(yīng)用電路中，通常需要通過升壓電路來驅(qū)動(dòng)閃光燈模組的L ED或顯示屏背光的LED，調(diào)節(jié)LED的明暗程度。驅(qū)動(dòng)LED的電路一般可分為并聯(lián)驅(qū)動(dòng)與串聯(lián)驅(qū)動(dòng)兩種。并聯(lián)驅(qū)動(dòng)采用電容型的電荷泵倍增電壓原理，所有的LED負(fù)載都是以串聯(lián)的形式連接；串聯(lián)驅(qū)動(dòng)采用電感型直流升壓轉(zhuǎn)換原理(Boost電路)，提升系統(tǒng)的總電壓來滿足串聯(lián)的單個(gè)LED負(fù)載的額定電壓需求。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路升壓器件體積小、效率高，占用空間更小，因此在移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、PD A手持設(shè)備、MP3播放器、GPS接收器等設(shè)備上有更為廣泛的應(yīng)用。

串聯(lián)的LED電感型直流升壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用了Boost電路升壓原理，M onolithic P ow er System s(MPS)公司的升壓器件MP1518芯片，很好的應(yīng)用到了手機(jī)等設(shè)備中。另外，在輸入電壓一定的條件下，驅(qū)動(dòng)LED兩端的電壓和信號(hào)的占空比有關(guān)。信號(hào)的占空比越大，輸出電壓越大，LED的亮度也就越大。在實(shí)際應(yīng)用中，往往是在使能管腳EN加上一個(gè)PW M波，通過改變這個(gè)PM W波的占空比來調(diào)整LED的亮度。

2、在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能電池的發(fā)電原理是利用入射于半導(dǎo)體時(shí)所引起的光電效應(yīng)。光伏電池的基本特性和二極管類似，這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的，沒有轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，不利用電磁相互作用，因此，其產(chǎn)生的電流為直流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能電池板、充電機(jī)、蓄電池、控制器、直流升壓電路、逆變器等。

典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)、逆變器、直流控制系統(tǒng)四部分組成。其中，單體光伏電池發(fā)出的電能很小，是直流電，為滿足實(shí)際需求，獲得足夠大的發(fā)電量，要將單體光伏電池連接成電池組，再由電池組組成太陽能光伏陣列。在電能從光伏陣列到儲(chǔ)能單元，再到你變單元的傳輸和交換過程中，要保持系統(tǒng)的高效與安全運(yùn)行，所以需要直流控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行調(diào)整、保護(hù)和控制。

光照強(qiáng)時(shí)，太陽能電池的低壓直流電直接提供給直流升壓電路，通過充電器給蓄電池充電儲(chǔ)能；光照弱時(shí)，太陽能電池輸出功率達(dá)不到光伏發(fā)電的要求，這時(shí)，作為儲(chǔ)能裝置的蓄電池就為直流升壓電路提供低壓直流電，保證了光伏發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。直流升壓電路把低壓直流電升高到330V高壓直流電，然后通過逆變器就可得到50H z／220V交流電。輸出交流電壓和電流通過檢測(cè)電路反饋給控制器，控制器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3、在光電倍增管中的應(yīng)用

光電倍增管廣泛應(yīng)用在各種光電檢測(cè)儀器中。同樣，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，光電倍增管在光電成像檢測(cè)與治療儀器(如PE T)中發(fā)揮了不可替代的作用。早期的光電倍增管的電源由工頻變壓器升壓后經(jīng)過倍壓整流得到，這種電源體積大效果差。目前光電倍增管的高壓電源采用直流變換器方式，比起工頻變壓器升壓后再整流方案體積小、效率高，具有良好的應(yīng)用前景。

輸入直流電壓為+12 V，輸出電壓可調(diào)，典型的輸出電壓為+1200 V。其主要構(gòu)成為低壓直流供電電源、PW M控制電路、功率開關(guān)管、高頻變壓器、倍壓整流電路、濾波電路和取樣反饋電路組成。+12 V直流輸入電壓為控制電路和變壓器提供工作電源；PWM控制電路的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率晶體管，為高頻變壓器提供低壓高頻方波；高頻變壓器的交流輸出信號(hào)通過倍壓整流電路得到進(jìn)一步的升壓和整流，輸出直流高壓信號(hào)：高壓輸出信號(hào)經(jīng)過濾波電路后得到進(jìn)一步的濾波，有效地減小輸出紋波系數(shù)；輸出電壓反饋電路為P W M控制電路提供電壓反饋信號(hào)，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，以控制脈沖調(diào)制器的輸出脈沖占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

升壓電路技術(shù)總結(jié)

本文介紹了兩種主要直流升壓電路的原理及其應(yīng)用。BOOST電路通過開關(guān)管和電感儲(chǔ)能達(dá)到升壓的目的。它相對(duì)簡單，功率密度大，電流較小，采用的是非隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；也正因?yàn)槿绱?，其本身就是一個(gè)電磁干擾源，可能導(dǎo)致周圍電子設(shè)備的功能紊亂。而以推挽式直流升壓電路為代表的使用變壓器升壓的電路，由于采用了隔離式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)可以通過匝數(shù)比和后面的倍壓整流電路進(jìn)一步升壓，從而更適合輸入電壓低、變壓比較高，并且需要進(jìn)行隔離的情況。二者依據(jù)其自身特性，具有很廣泛的應(yīng)用。在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品的應(yīng)用電路中，通常需要通過升壓電路來驅(qū)動(dòng)閃光燈模組的L ED或顯示屏背光的LED，調(diào)節(jié)LED的明暗程度。在光伏電池中，通過直流升壓電路將光照轉(zhuǎn)化的低壓直流電經(jīng)充電器給蓄電池充電儲(chǔ)能。再如在廣泛應(yīng)用在各種光電檢測(cè)儀器中的光電倍增管中，為各個(gè)極板之間的高壓電場(chǎng)供電的高壓電源采用直流變換器方式，比起工頻變壓器升壓后再整流方案體積小、效率高。

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