浅谈直流升压电路的原理与应用

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1、浅谈直流升压电路的原理与应用　　摘要：本文是一篇归纳性综述文章，以Boost电路与推挽式电路两种直流升压电路为例，介绍直流升压电路的基本原理，定性分析直流升压的实现过程；进而从小功率（如便携设备内部器件变压）与大功率（如直流输电变压）两个领域对直流升压技术的应用现状与发展进行综述。最后，分析该技术在生物医疗器械（如PET）中的应用前景。　　关键词：直流升压；BOOST；推挽式放大电路　　一、引言　　直流升压技术是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压的工程技术，一种方法是利用电感的储能作用和电容的滤波作用

2、进行升压；另一种方法通过高频振荡产生低压脉冲，再通过脉冲变压器升压到预定电压值，继而应用脉冲整流技术来获得高压直流电。直流升压过程是依靠一个用开关调节方式控制电能的变换电路，即DC-DC变换器来实现的。DC-DC变换器的核心部件是一类由晶体二极管、储能器（或变压器）、电容及感应器组成的开关变换器，其输出电路通过由电容组成的低通滤波器对电流的整流，实现高压直流电的输出。9　　直流升压技术的不断更新与完善，很大程度上影响了DC-DC变换器拓扑的演化。高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC

3、变换器的发展方向。目前，直流升压技术已广泛应用于使用电池供电的便携设备中，大功率直流输电技术、光伏电站等领域，具有良好的应用前景。　　二、升压电路的原理及分析　　直流升压电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。按照电路的拓扑结构，主要分为隔离型和非隔离型电路。　　2.1非隔离型电路　　非隔离型拓扑结构包括BUCK电路、BOOST电路、C

4、UK电路、SEPIC电路等，其中BUCK电路是直流降压电路，而BOOST升压电路的应用最为广泛，也是后面两种电路的基础。因此本节着重介绍BOOST升压电路的原理及特点。　　BOOST升压电路的基本拓扑结构如下图所示，实际的电路中开关一般为IGBT元件（绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点）或可控硅元件等代替，相应的控制信号有基于PWM技术的脉冲发生器来提供。[1]　　图1B

5、OOST升压电路的基本拓扑结构　　根据模拟电路分析开关S闭合与断开情况，结合电路理论的基本知识，可以推出输出电压9　　综上所述，BOOST电路的升压过程是电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量；放电时电感放出能量。如果电容量足够大，就可以在输出端放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复。就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。　　电路中的二极管主要起隔离作用，即在开关闭合时，二极管的正极电压比负极的电压低，此时二极管截止，使此电感的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电；因在开关断开时，两种

6、叠加后的能量通过二极向负载供电，此时二极管正向导通，要求其正向压降越小越好，尽量使更多的能量供给到负载端　　非隔离型DC-DC拓扑结构比较简单，电路所需的器件数量较少，且易于设计和控制。但同时也受到输入输出电压比的限制，无法适用于电压转换比例较大的场合，也无法达到电气隔离的要求，这些拓扑结构适用于小功率设备中。[2]　　2.2隔离型　　隔离型拓扑结构主要包括“反激式电路”、“正激式电路”、“推挽式电路”、“半桥式电路”、“全桥式电路”及由这些基本电路衍生出来的相关电路。　　这种电路的基本工作过程都是：高频振荡产

7、生低压脉冲――脉冲变压器升压到预定电压值――脉冲整流获得高压直流电。[2]　　其中推挽式直流升压电路应用较为广泛，同时，推挽式电路经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动和电流脉动都很小，因此只需要一个很小的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。[2]因此，推挽式电路是一个输出电压特性非常好的开关电源。本节以此为例论述隔离型直流升压电路的特点。9　　一种推挽式升压电路　　其工作原理为：　　⑴从，导通，截止，通过加到变压器的原边绕组上上，根据变压器的匝数比，将有2倍的输

8、入电压施加于截止的开关管上，当激励消失时，其集电极施加的电压均为输入电压　　⑵从导通截止，此阶段原理同上，下一个周期依次往复。　　电路工作时，由于两只对称的功率开关管每次只有一个导通，因此开关管的导通损耗小，效率高，其开关变压器磁芯利用率也较高。　　隔离型的DC-DC拓扑结构相对复杂，电路所需器件数量较多，同时还要考虑磁芯磁化和饱和等众多问题。由于加入了隔离变压器，可以达到电气隔离的要