高压差升压级联Boost变换器效率最优分析_邵峰

并不是和曲线完全吻合，由于实际条件还 是和理论有所差距，但是，他们的趋势是 相似的，串级 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器中间电压存在 一点使效率达到最高。从图 ３ 蓝线和红线 对比可以看出输入 ２ ８ Ｖ 输出 ４ ０ ０ Ｖ 功率 ４ ０ ０ Ｗ 升压变换器用两级 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器比用 一级 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器来实现的效率要高， 从图 ３ ，图 ４ 可看出用两级和三级来实现效率相 差不多，这样应该选两级。
（二）牵动导管增强砼向四周边扩散， 加强桩身与周边地层的有效结合，增大桩 体摩擦力，同时加大砼与钢筋笼的结合 力，从而提高桩基承载力。
在砼灌注后期，由于孔内压力较小， 往往上部砼不如下部密实，这时应稍提漏 斗增大落差。以提高其密实度。当然在控 制砼初凝时间的同时，必须合理地加快灌 注速度，这时提高的灌注质量十分重要， 因此应做好灌注前的各项准备工作，以及 灌注过程中各道工序的密切配合工作。
对两级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器进行了试验。实 验中控制器采用两个 ３ ８ ４ ３ ，用 ５ ５ ５ 定时器 为两个控制器提供同步脉冲和斜坡信号。 实验数据如下表。
表 １ 第一级 ｂｏｏｓｔ 变换器效率 （Ｖｉ＝２８Ｖ，Ｐｏｌ＝ ４２０Ｗ）
表 ２ 第二级 ｂｏｏｓｔ 变换器效率 （Ｖｏ２＝４００Ｖ，Ｐｏ２＝ ４００Ｗ）
一、原料选择与下料 砼原料宜选用卵石、石子含泥量小于 ２ ％ ，以提高砼的流动性，防止堵管。一般 砼初凝时间仅 ３ — ５ 小时，只能满足浅孔 小桩径灌注要求，而深桩灌注时间约为 ５ — ７ 小时，因此应加缓凝剂，使砼初凝时 间大于 ８ 小时，为了使砼具有良好的保水 性和流动性，应按合理的配合比将水泥、 石子、砂子倒入料斗后，先开动搅拌机并 加入 ３ ０ ％ 以上的水，然后与拌合料一起均 匀加入 ６ ０ ％ 的水，最后再加入 １ ０ ％ 的水（如 砂、石含水率较大时，可适当控制此部分 水量），最后加水到出料时间控制在 ６ ０ 秒 内，坍落度应控制在 １ ８ ０ ± ２ ０ 毫米之间， 砼灌注距桩顶约 ５ 米处时，坍落度控制在
三、钻孔灌注桩易产生的质量问题及 处理（下转 ８６ 页）
（上接 ８４ 页）
（１７）
用同样的方法可得三级甚至更多级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器的效率公式，在这里就不给 出了。
三、实验结果 （一）两级 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器效率与中 间电压关系曲线
两级中第一级实验参数为：Ｖ ｉ ＝ ２ ８ Ｖ ， ＶＦ１＝１．１５Ｖ， ＲＦ１＝０．０８５ ，ｆｓ＝５０ｋＨｚ， Ｌ１＝３３０ｕＨ， ＲＬ１＝０．１ ， Ｒｏｎ１＝０．０３６ ， Ｃｏ１＝４５０ｐＦ，Ｒｃ１＝０．３ 。
率曲线如图 ４ 可看出达到效率最高点的时 候是一个面，其中包含第二个过渡电压为 ４ ０ ０ Ｖ 时，第一个为 １ ０ ０ Ｖ 这个点，也就是 相当用两级来实现同样可以达到同样高的 效率，第二级为 ４ ０ ０ Ｖ 时，三维图中的曲线 和图 ３ 中两级的曲线是重合的。
图 ４ 三级 ｂｏｏｓｔ 变换器效率 （三）实验验证
（２） （３）
Baidu Nhomakorabea
（１０）
多级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器效率分析 两级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器在连续工作模式 （Ｃ Ｃ Ｍ ）下的直流等效模型可由单级变换 器的等效方法得来，如图 ２ 所示。
（４）
式（３ ）、（４ ）中得到的关系式是在忽 略滤波电容的 Ｅ Ｓ Ｒ 和开关管的开关损耗条 件下获得。
四、结论 从本文的分析和实验可以得出： （一）在两级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器中，通过改 变它的中点电压可达到一个效率最高点。 （二）在三级 Ｂｏｏｓｔ 变换器中，通过改变 它的两个过渡电压可达到一个效率最高点。 （三）在达到输入 ２ ８ Ｖ 输出 ４ ０ ０ Ｖ 功率 ４ ０ ０ Ｗ 的同一指标下，一级，两级，三级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器中，为达到效率最高，相比较 起来两级是首选。在两级中，中间点电压 为 ９ ５ Ｖ 是优选，效率为 ８ ８ ． ０ １ ％ 。 本文使用简化后直流模型，简化了直 流部分的损耗的求取，此方法为更多级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器的损耗分析提供了参考。本文 理论和实验方面会有些偏差，但表明了正 确的趋势，在寻求最高效率方面实现了 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器级数和中间电压的最优选择， 对于应用此类变换器的场合有一定的参考 价值。
（ａ） 带寄生参数等效电路
（７）
这里的开关状态损耗［ ３ ］ 主要分为三部 分：
１、Ｍｏｓｆｅｔ 开通时，在电压还没降到零 时，与二极管反向恢复电流和电感电流一 起产生功率损耗。
２ 、在开通过程中，由于 Ｍ ｏ ｓ ｆ ｅ ｔ 漏源 极寄生电容放电产生损耗。
３ 、在 Ｍ ｏ ｓ ｆ ｅ ｔ 关断时，快速增长的漏 源极电压和下降的电流一起产生的损耗。
则将开关管支路和二极管支路的导通电 阻，二极管的正向压降映射到电感支路， 为了使模型进一步简化，将占空比 ｄ 控制 的理想变压器取代受控电压源和受控电流 源，在进行 Ｄ Ｃ 稳态分析时，电容 Ｃ 开路， 电感 Ｌ 短路，从而得到 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器在连 续工作模式（Ｃ Ｃ Ｍ ）下的直流等效模型［ ２ ， ３ ］ 如图 １ ｂ 所示， 其中，Ｒ Ｅ ＝ Ｄ Ｒ ｏ ｎ ＋ （ １ － Ｄ ） Ｒ Ｆ ＋ Ｒ Ｌ 。简化后的模型为估算两级、三级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器效率提供了便利。
式中 —电感电流的峰 － 峰值。 电容电流的有效值为：
电容的损耗为：
（６）
（１４）
（１１）
（１５） （１６） 两级 Ｂｏｏｓｔ 变换总效率为：（下转 ８５ 页）
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生产一线
钻孔灌注桩的施工要点及事故处理
文⊙ 邹慧峰（黑龙江省桩基础工程公司） 胡薇（黑龙江省第一建筑工程公司）
我国地域辽阔，地形及地貌相当复 杂。钻孔灌注桩在这些区域基建工程基础 工程中发挥了重要作用。其中，钻孔灌注 桩的水下砼灌注是成桩的关键环节。钻孔 灌注桩适用于地下水位较低的和复杂且常 需护壁的地质情况。目前，此工艺正日益 完善，但往往由于工艺不当，断桩、堵管、 夹泥、蜂窝、少灌等质量问题也时有发生。 因此，正确地选用科学合理的施工工艺， 使钻孔灌注桩单桩静载试压达到全部优 良。现根据我近年来工作经验对此工艺作 以下要点分析：
ｍｏｓｆｅｔ 的开关损耗大约表示为：
（８）
（ｂ） 直流等效模型
式中 Ｃ ｏ —开关管的输出电容， Ｐ ｏ —输出功率 因此，总功率损耗为：
（９）
现在可以得到包括滤波电容和开关管 的开关损耗在内的总效率公式为：
图 １ Ｂｏｏｓｔ 变换器 由图 １ ｂ 得：
（１）
由式（１，２）得
１ ６ ０ — １ ７ ０ 毫米，以确保桩顶浮浆不过高。 气温高，成孔深，导管直径在 ２ ５ ０ 毫米之 内，取高值，反之取低值。
二、选择打桩顺序 打桩顺序一般分为：由一侧向单一方 面打，自中间向两个方面对称打，自中间 向四周打。打桩顺序直接影响打桩速度和 桩基质量。因此；应结合地基土壤的挤压 情况，桩距的大小，桩机的性能，工程特 点及工期要求，经综合考虑予以确定，以 确保桩基质量。减少桩机的移动和转向， 加快打桩速度，由一侧向单一方向打，桩 机系单向移动，桩的就位与起吊均很方 便，故打桩效率高；但它会使土壤向一作 技术检灌注操作技术分为首批砼灌注与后 续砼灌注及后期灌注三个过程。在前一过 程中，砼灌注量与泥浆至砼面高度，砼面 至孔底高度，泥浆的密度，导管内径及桩 直径有关。孔径越大，首批灌注的砼量越 多。由于砼量大，搅拌时间长，因此可能 出现离析现象，首批砼在下落过程中，由 于和易性变差，受的阻力变大，常出现导 管中堵满砼，甚至漏斗内还有部分砼，此 时应加大设备的起重能力，以便迅速向漏 斗加砼，然后再稍拉导管，若起重能力不 足，则应用卷扬机拉紧漏斗晃动，这样能 使砼顺利下滑至孔底，下满后，继续向漏
两级中第二级实验参数为： ｆ ｓ ＝ ５ ０ ｋ Ｈ ｚ ， Ｖ Ｆ ２ ＝ １ ． １ ５ Ｖ ，Ｖ ｏ ＝ ４ ０ ０ Ｖ ， Ｌ ２ ＝ １ ． ５ ｍ Ｈ ， ＲＬ２＝０．１７５ ，Ｒｃ２＝０．３ 。ＲＦ２＝０．０８５ ， Ｒｏｎ２＝０．２７ ，Ｃｏ２＝４８０ｐＦ， Ｒ＝４００ ，
把数据带入式（１７），在 Ｍａｔｌａｂ 中得出对 应数据的曲线如图 ３ ，可看出用两级变换
采用如上方法和状态空间平均法时， 电感电流都认为是恒定值，因此，导致没 有电流流过滤波电容。但是实际上，是有 电流流过滤波电容的，在一个周期 Ｔ 中的 瞬时值如下式：
图 ２ 两级 ｂｏｏｓｔ 直流等效模型 由图 ２ 得：
（１１）
（１２）
（１３）
滤波电容和开关管的开关损耗公式
（５）
为：
斗加入砼，进行后续灌注。在后续灌注中， 当出现非连续性灌注时，漏斗中的砼下落 后，应当牵动导管，并观察孔口返浆情况， 直至孔口不再返浆，再向漏斗中加入砼。 牵动导管的作用有两点：
（一）有利于后续砼的顺利下落，否则 砼在导管中存留时间稍长，其流动性能变 差，与导管间摩擦阻力随之增强，造成水 泥浆缓缓流坠，而骨料都滞留在导管中， 使砼与管壁摩擦阻力增强，灌注砼下落困 难，导致断桩。同时，由于粗骨料间有大量 空隙，后续砼加入后形成的高压气囊，会挤 破管节间的密封胶垫而导致漏水，有时还 会形成蜂窝状砼，严重影响成桩质量。
生产一线
高压差升压级联 Ｂｏｏｓｔ 变换器效率最优分析
文⊙ 邵峰 王娜（河南省计量科学研究院）
摘要： 级联 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器可实现大压差 的升压，它的级数和中间电压的选择是影 响效率的主要因素之一。本文通过对级联 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器主要损耗的分析，推导了它们 的效率公式，进而得出两级、三级 Ｂｏｏｓｔ 变 换器中间电压和效率的关系。以输入 ２８ＶＤＣ 输出 ４００ＶＤＣ 功率 ４００Ｗ 的指标为例， 得出分别用三种变换器来实现的效率曲 线，进行了效率对比，进行级数和中间电 压的最优选择，并用实验进行了验证。
关键词： 级联 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ ；效率；中间电压 一、引言 本文中提到的是级联 Ｂｏｏｓｔ 变换器［１］， 用此来达到所需的输出电压，尤其在航空 及通讯上的应用需要较大的转换压差， 如：双输入前级变换器，飞轮储能中的 Ｄ Ｃ － Ｄ Ｃ 升压部分。可通过隔离或非隔离 变换器来实现，但使用变压器转换方式有 比较大的切换突波损坏开关器件，而且限 制了开关频率，为此选择串级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换 器实现大变比的升压变换，提高稳定性， 在这些应用中的 Ｄ Ｃ 变换器需要：高步升 电压增益；高效率；非隔离等。本文选用 级联 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器来实现，目的是在相同 输入、输出、功率下使用这种拓扑，通过 配置级数和中间电压使达到效率最高。为 此本文对单级、两级、三级 ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器 的损耗进行了分析，推导出了效率公式， 进而导出两级、三级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器中间电 压和效率的关系式，并以曲线的形式展示 了效率与中间电压的关系，寻求一个效率 最高点。以输入 ２ ８ Ｖ Ｄ Ｃ 输出 ４ ０ ０ Ｖ Ｄ Ｃ 功率 ４ ０ ０ Ｗ 的指标为例进行了最优选择。分析 损耗时，根据能量守恒原理，将开关管支 路和二极管支路的寄生元件映射到电感支 路，以简化拓扑，通过简化后的直流模型， 求出变换器损耗， 然后对 Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 的开关 损耗和滤波电容的损耗进行了估算。 二、级联 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器效率估计 下面分别对单级，两级，三级 Ｂｏｏｓｔ 变 换器效率进行估计： （一）单级 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器效率估计 图 １ 所示的 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器在连续工作 模式（Ｃ Ｃ Ｍ ）下有两种开关模态，在分析 之前，作如下假设： １ 、功率 Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 管输出电容忽略不计， 开通电阻是线性的，关断电阻为无穷大； ２ 、开关管导通电阻 Ｒ ｏ ｎ 线性，关断电 阻无穷大； ３ 、二极管开通状态由线性正向电阻 Ｒ Ｆ 和线性电压 Ｖ Ｆ 来模拟，关断电阻为无穷大； ４ 、无源元件是线性的，时不变的； ５ 、在整个开关周期中，电感电流是恒 定的； ６ 、输入电压源的输出阻抗对于 Ａ Ｃ 和 Ｄ Ｃ 分量都为 ０ 。 图 １ ａ 描述的是变换器带寄生参数的 等效电路模型，其中，Ｄ ＝ ｔ ｏ ｎ ／ Ｔ ，ｔ ｏ ｎ 是开 关导通间隔，Ｒ ｏ ｎ 是开关管导通电阻，Ｖ Ｆ 为二极管门槛电压，Ｒ Ｆ 是二极管正向电 阻，Ｒ Ｌ 是电感 Ｌ 的等效串联电阻（ Ｅ Ｓ Ｒ ） ， Ｒ ｃ 是输出滤波电容的等效串联电阻。研究效 率时，考虑寄生参数对 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换器工作 在电流连续模式（Ｃ Ｃ Ｍ ）下对变换器静态 模型的影响。通过能量守恒和采用映射原