升压电路的原理与实现

升压电路的原理与实现
作者：袁幸杰郑轶卢涛冯向超
来源：《电子技术与软件工程》2018年第05期
摘要随着新能源技术的不断发展，对电力变换技术也提出了更高的要求，尤其许多新能源电池自身的属性决定其输出的电压较低而电流较大，无法被用电设备直接使用，需要进行电力变换。

本文针对新能源电池输出电压低、电流大这一特点。

对三种不同的升压方式进行了对比，提出并实现了一种基于BOOST拓扑的升压变换电路并在此基础上进行了损耗分析。

最后针对溶解氧海水电池搭建了一套电池升压管理系统，实现了低电压大电流的条件下的高效率直流升压变换，并在近海测试中取得了较好的测试效果，有效解决了该问题。

【关键词】BOOST升压电路海水电池超低压升压电池管理
随着新能源电池的不断涌现对电力变换技术也提出了更高的要求，尤其是在光伏及海水发电等领域，通常电池本身输出的电压较低而电流较大，不能直接为用电设备所用。

而现有的电力变换技术通常不能够高效率的进行电能由此造成了电能无法得到充分利用。

国外如荷兰等国家已经针对这一问题进行了较多的探索，其采用DCDC方式能够高效率的进行电能转换，而目前国内并没有相应的成熟技术与产品在实际中应用。

文章在对比了推挽、全桥等多种升压方法的基础上提出了一种基于BOOST拓扑的超低压升压的实现方法，能够实现升压比大于10的低电压、大电流情况下的高效率电压转换，转换效率达到75%以上。

溶解氧海水电池作为一种以海水为电解质能够提供长期、稳定电能的新型电池，对深海观测具有重要意义，应用前景非常广泛。

但是由于海水电池采用开放式结构，输出电压低电流大并且各组电池无法进行串联对海水电池输出的低电压进行升压变换是海水电池应用于水下设备的必由之路。

1 工作原理
1.1 升压方案选择
目前，DC-DC直流升压变换电路有多种结构形式，主要方式有：单端式、半桥式、全桥式、推挽式。

其中推挽式是基于逆变升压的原理，推挽式升压电路必须使用带有中心抽头的变压器，增大了变压器偏磁的风险，而且推挽式开关电源方案不适合负载变化较大的场合。

桥式升压电路同样是基于逆变升压的原理。

采用推挽式与桥式升压方式需要先对海水电池输出的直流电进行逆变而后再进行整流，这两种升压方式由于结构较为复杂，转换过程中的开关损耗过高，而且由于输入过低对变压器的性能要求较高，难以实现高效率的升压变换。

采用基于BOOST拓扑的升压电路这一设计结构简单、器件损耗低，只需要所选用的控制器能够准确控制PWM的占空比即可实现高效率升压转换。

1.2 升压电路工作原理
海水电池升压系统组成如图1所示，海水电池、升压装置、滤波电路、控制系统。

本文主要介绍升压装置部分：
由于海水电池升压系统要求升压跨度较高，占空比已经达到90%以上。

设计选用了一款具有PWM限流功能的，高效率、低功耗的DC-DC控制器。

1.3 损耗分析
由于海水电池升压跨度大，输入电流高因此难度较大，根据占空比计算公式：D= （VO-Vi）⁄VO得出最大为Dmax≈91.4%，最小为Dmin≈86.4%因此对控制器的控制精度及稳定性的要求较高。

根据BOOST电路工作原理分析了损耗主要来源：电感损耗，快恢复二极管损耗、开关管损耗及线路损耗几个方面组成，其中快速恢复二极管和开关管损耗主要可以分为导通损耗、通态损耗及关断损耗：
二极管开通损耗为：
其中tfr为上升时间，VFR为二极管正向恢复最大电压，VF为二极管压降的典型值，IF为二极管正向电流。

二极管通态损耗为：
其中，二极管正向导通压降VF，二极管导通内阻rD，ID（AV）为二极管电流的平均值，I2D（RMS）为二极管电流的有效值，快速恢复二极管关断损耗：
其中，Kf二极管反向恢复电流，fcID（RM）的温度系数。

开关管损耗为：导通损耗为：，开关管通态损耗为：PCON=I2Q（RMS） RQ，开关管关断损耗为：
其中：IQ（RMS）开关管的电流有效值，RQ为开关管在给定温度下的导通电阻，IL电感L的电流且IL=IIN tfr开关管开通上升时间。

另外由于开关管的输出电容和其漏源之间电压比的平方根成正比，得到开关管的总损耗表达式为：
由以上分析可推知为提高升压效率应采用单级升压并选用导通阻抗小的器件。

2 电路实现
2.1 升压管理系统设计
本文设计的升压电路能够实现最高14.2V的输出，升压比高达11.8。

其功能框图如图2所示。

由于设计采用并联方式因此模块之间的内阻匹配能够有效提高升压效率。

同时为了保证升压电路的安全性，降低输出电压的噪声，各路在输出时采用了二极管与电阻串联的方式，不仅保护了内部升压电路不被破坏而且也保证了输出电压的一致性有效降低了系统的输出噪声。

2.2 实验波形及调试
2.2.1 不同升压级数效率对比
实验分为实验室测试与码头近海测试，表1为不同升压级数的效率对比情况。

由表1可以看出，随着升压级数的不断增大效率呈现明显的下降趋势。

因此，在实际升压电路制作过程中应选用低反向恢复电流的快回复二极管，同时对效率有较高要求的场合在满足功率匹配的条件下应尽量采用一级升压模式进行升压操作。

2.2.2 不同电压下的升压效率
海水电池升压管理系统升压后接功率电阻作为负载，不同输出电压下升压电路的转换效率。

由于海水中溶解氧浓度不会突变，因此海水电池输出电压相对稳定，实验室中可以通过大功率线性直流电源模拟海水电池的输入对升压电路进行测试。

表2为实验室中测的相关实验数据。

由表2可以看出随着海水电池输入电压的升高，升压电路的效率也有了一定的程度的提升。

通过近岸测试发现，升压后电压输出相对稳定，能够较好的克服输入电压波动给升压电路所带来的影响。

3 总结
超低电压升压电路采用了模块化的设计思想，使用多组升压模块并联方式解决了超低电压，较大电流升压的问题并且可以方便的调节各路输出电压使输出电压匹配程度较高，分析了升压电路的损耗情况，在此基础上进行了器件的选型，极大的提高了转换效率使其达到了70%以上。

并且可以根据要求快速的进行功率、电压的调整有效解决了低压，大电流的升压难题。

（通讯作者：郑轶）
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作者单位
1.山东省海洋环境监测技术重点实验室山东省青岛市 266100
2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东省青岛市 266100
3.国家海洋监测设备工程技术研究中心山东省青岛市 266100
4.山东科技大学山东省青岛市 266000。