運(yùn)用兩級(jí)方式實(shí)現(xiàn)高電壓

如果需要從低電壓生成高電壓，可采用升壓轉(zhuǎn)換器。它是三種基本開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲械囊环N，僅需兩個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感以及輸入和輸出電容。除了升壓轉(zhuǎn)換器以外，其他基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還包括降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。圖 1 顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。在導(dǎo)通期間，開(kāi)關(guān) S1 閉合，電能存儲(chǔ)在線圈 L 中。電感電流隨輸入電壓與地電位之間的差值線性增加;也就是說(shuō)，隨輸入電壓而增加。在關(guān)斷期間，當(dāng) S1 開(kāi)啟且 S2 閉合時(shí)，存儲(chǔ)在電感中的電能提供至輸出端。電感兩端的電壓在此時(shí)間段內(nèi)等于輸出電壓減去輸入電壓。

圖 1.用于從低電壓生成高電壓的升壓拓?fù)洹?/p>

要使這種相互作用生效，必須具有足夠的時(shí)間供電感充電和放電。通過(guò)控制環(huán)路時(shí)，可以進(jìn)行如下想象：當(dāng)輸出端需要更多電能時(shí)，必須從輸入端獲取更多的電能傳送至輸出端。因此，必須有更多的電能臨時(shí)存儲(chǔ)在電感中。開(kāi)關(guān) S1 也需要更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間。然而，對(duì)固定開(kāi)關(guān)頻率而言，這導(dǎo)致可用于從電感獲得電能的關(guān)斷時(shí)間更短。因此，輸出電壓降至設(shè)定目標(biāo)值以下。這對(duì)升壓拓?fù)鋪?lái)說(shuō)尤其是一種限制。采用該拓?fù)?，輸出電壓超出可用輸入電壓的水平受到限制。在典型?yīng)用中，這一最大升壓因數(shù)介于 3 至 7 之間。

圖 2.最大可能升壓因數(shù)取決于電感電阻 DCR (直流電阻)

圖 2 所示的曲線說(shuō)明了最大可能升壓因數(shù)與對(duì)應(yīng)占空比之間的典型關(guān)系。具體曲線依據(jù)升壓轉(zhuǎn)換器輸出端的負(fù)載電阻與電感的直流電阻之間的關(guān)系而變化。圖 2 所示的示意圖選用的負(fù)載電阻為 100 Ω。對(duì)于 48 V 的輸出電壓而言，這相當(dāng)于 480 mA 的負(fù)載電流。當(dāng)電感的串聯(lián)電阻 (DCR) 對(duì)應(yīng) 2 Ω 時(shí)，可能實(shí)現(xiàn)的最大升壓因數(shù)只比 3 略高一點(diǎn)。當(dāng) DCR 為 1 Ω 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的升壓因數(shù)略高于 5。如果需要更高的升壓因數(shù)，必須選擇具有最低串聯(lián)電阻值的電感。

圖 3.用于從低輸入電壓生成極高輸出電壓的兩級(jí)式概念

如果應(yīng)用中需要更高的升壓因數(shù)，那么兩級(jí)式概念也是一種選擇。ADI 公司的新型 LTC7840 在單芯片中包含兩個(gè)升壓控制器，可輕松實(shí)現(xiàn)兩級(jí)式升壓概念。圖 3 顯示了一個(gè)從 12 V 電源電壓升壓至 240 V 輸出電壓的例子。兩個(gè)升壓級(jí)可分步提升電壓，使每一級(jí)僅需將電壓提升 4.5 倍左右。

結(jié)論

本文介紹了一個(gè)兩級(jí)式概念，它可實(shí)現(xiàn)比單級(jí)式概念高得多的升壓因數(shù)。當(dāng)然，也可選擇基于變壓器的拓?fù)湟燥@著提高輸入電壓。例如，反激式轉(zhuǎn)換器就是一種常見(jiàn)拓?fù)?。但是，如果無(wú)需電流隔離，兩級(jí)式升壓概念與反激式轉(zhuǎn)換器相比則具有一些優(yōu)勢(shì)。它無(wú)需又大又貴的變壓器，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率不再受限于變壓器磁芯中的損耗，并且電源負(fù)載是連續(xù)負(fù)載而非脈沖負(fù)載。因此，在許多應(yīng)用的選擇過(guò)程中應(yīng)考慮兩級(jí)式升壓概念。