負(fù)輸出羅氏變換器實(shí)用性剖析

負(fù)輸出羅氏變換器系列能完成從正到負(fù)的DC/DC升壓變換。文中以負(fù)輸出羅氏三舉變換器為例進(jìn)行了分析、穩(wěn)定性評(píng)估、測試和仿真，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。論述結(jié)果充分證明：這種變換器確實(shí)具備結(jié)構(gòu)簡易價(jià)廉、紋波小、穩(wěn)定性好、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性好、應(yīng)用價(jià)值大。

關(guān)鍵詞：

電壓舉升技術(shù)自舉變換器三舉變換器PWM技術(shù)。

PracticabilityAnatomyforNegativeOutputLuo－Converters

Abstract:

ThenegativeOutputLuo－convertersperformpositive－to－negativeDC/DCstep－upvoltageconversion.Thispapergivesoutanalysis,stabilityevaluation,testandsimulationofthenegative－output“triple－liftLuo－converter,onekindofsuchonverters,andillustrateswithdesignexamples.TheresultsverifiedthatthenegativeOutputLuo－convertersreallyhavetheadvantagessuchascheaptopologyinasimplestructure,smallripples,goodstability,highefficiencyandpowerdensity,andareofgreatapplicationvalue.

Keywords：Voltage－lifttechniqueSelf－liftconverterTriple－liftconverterPWMtechnique.

1引言

DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬件和工業(yè)應(yīng)用上[1－5]，如計(jì)算機(jī)的外設(shè)電源、汽車輔助電源、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和醫(yī)療設(shè)備的電源。近年來DC/DC變換器技術(shù)有了很大發(fā)展，重點(diǎn)是研究高效、高功率密度和簡易價(jià)廉的結(jié)構(gòu)，例如：已開發(fā)的Cuk變換器[6－10]，羅氏變換器[1－3]和SEPIC變換器[11－13]。

電壓舉升技術(shù)已成功地應(yīng)用于DC/DC變換器的設(shè)計(jì)。已開發(fā)的負(fù)輸出羅氏三舉變換器是一新型的DC/DC升壓電路，能完成從正到負(fù)的DC/DC升壓變換，其原理電路圖如圖1所示。它是從羅氏復(fù)舉變換器[3]推導(dǎo)出來的，由17個(gè)無源元器件組成，分別為：一個(gè)固態(tài)開關(guān)S，四只電感L11、L12、L13和L14，五只電容C10、C11、C12、C13和C14，七只二極管D10、D11、D12、D13、D21、D22和D23。固態(tài)開關(guān)S用的是P溝道功率MOSFET器件，由具有脈寬調(diào)制(PWM)功能的脈沖信號(hào)串驅(qū)動(dòng)電路所控制。開關(guān)重復(fù)周期為T=1/f,導(dǎo)通占空比為k，因此每周期中開關(guān)閉合時(shí)間為kT,開關(guān)關(guān)斷時(shí)間為(1－k)T。

圖1負(fù)輸出羅氏三舉變換器的原理電路圖

電容C12、C13和C14的作用是把電容C11的電壓VC11舉升到電源電壓的三倍。接在三只電容C12、C13和C14之間的電感L13和L14的作用像梯子的活動(dòng)接頭一樣把電容C11上的電壓VC11抬高。

在本文中，所有電壓和電流的方向均標(biāo)在圖上，文中所有描述和計(jì)算全用的是絕對(duì)值。對(duì)任一分量X，其電流和電壓的瞬時(shí)值表示為ix和vx,或ix(t)和vx(t)；其電流和電壓的平均值表示為Ix和Vx；其電流和電壓的峰值表示為IXM和VXM。假設(shè)所有電容的容量足夠大,則在討論平均值時(shí)，電容兩端的紋波電壓都可以忽略。因?yàn)殡姼蠰11、L12、L13和L14上電壓的平均值為零，所以在連續(xù)模式時(shí)，電容C11上電壓等于輸出電壓，即VC11=VC10=V0。負(fù)輸出羅氏三舉變換器可以分別工作在連續(xù)模式或非連續(xù)模式，連續(xù)模式的等效電路圖如圖2(a)、(b)所示，非連續(xù)模式的等效電路圖如圖2(c)所示。連續(xù)模式和非連續(xù)模式工作時(shí)的理想電流和電壓波形描繪在圖3和圖4上。其中，Son表示開關(guān)S閉合，Soff表示開關(guān)S關(guān)斷。

圖2負(fù)輸出羅氏三舉變換器的等效電路圖

（a）饋電狀態(tài)開關(guān)S閉合二極管D10截止

（b）續(xù)流狀態(tài)開關(guān)S關(guān)斷二極管D10導(dǎo)通

（c）保持狀態(tài)(僅適用于非連續(xù)模式)開關(guān)S

關(guān)斷二極管D10截止

在圖2(a)中，開關(guān)S閉合，二極管D10截止，電壓vL11、vL13和vL14都等于輸入電壓VI。電流iL11、iL13和iL14分別以斜率VI/L11、VI/L13和VI/L14線性增加。

負(fù)輸出羅氏變換器實(shí)用性剖析

電流iD21等于(ic12＋iL11),電流iD22等于(ic13＋iL13),電流iD23等于(ic14＋iL14),它們是一指數(shù)函數(shù)δ（t）。電流iD11等于(ic12＋iL13),電流iD12等于(ic13＋iL14)，也是一指數(shù)函數(shù)δ（t）。電流iD13等于ic14,同樣是一指數(shù)函數(shù)δ′（t）。輸入電流i1=iD21＋iD22＋iD23。通常有L13=L14=L11,C12=C13=C14和iC12=iC13=iC14=δ′（t）;iL11(t)=iL13(t)=iL14(t)，所以在開關(guān)閉合期間，輸入電流iI(t)=iL11(t)＋iL13(t)＋iL14(t)＋3δ′（t）。開關(guān)在接通電源瞬間，函數(shù)δ′（t）的數(shù)值很大，但在穩(wěn)態(tài)時(shí)，因?yàn)殡妷簐c12、vc13和vc14都和輸入電壓VI相接近，所以此時(shí)函數(shù)δ′（t）的值很小。電流iD11、iD12、iD21、iD22、iD23的理想波形圖完全相同，故在圖3中僅畫出電流iD11的理想波形圖。電感L11、L13、L14上的理想電壓波形圖也完全相同，故在圖4中僅畫出電壓vL11的理想波形圖。輸出回路中的C11－L12－C10組成Π”型濾波器。電感L11、L13、L14在開關(guān)閉合期間從電源吸收能量，而在開關(guān)關(guān)斷期間傳送所貯存的能量給電容C11、C10和負(fù)載R。電感L12保持輸出電流的連續(xù)和電容C11一起向負(fù)載R傳送能量，即ic11－on=iL12。電容C11上的能量在開關(guān)閉合期間釋放給負(fù)載，因此如果VC11電壓高，則對(duì)應(yīng)的輸出電壓VO的絕對(duì)值也高。電容C11上電壓vc11和電感L11、L13、L14的電流iL11(t)=iL13(t)=iL14(t)與L12的電流iL12的理想波形圖如圖5所示。

在圖2(b)中，開關(guān)S關(guān)斷,二極管D10導(dǎo)通,在此情況下電源電流iI=0。電感電流iL通過續(xù)流二極管D10、電容C12、C13、C14，電感L11、L13和L14向電容C11充電，電流iL12增加。電感L11、L13、L14通過電感L12傳輸所貯存的能量給電容C10和負(fù)載R，即iL=iL11－off=iL13－off=iL14－off=iC12－off=iC13－off=iC14－off=iC11－off＋iL12－off，從而電流iL減小。由于電感電壓vL11－off、vL13－off和vL14－off都等于kVI/(1－k)，所以電流iL11－off、iL13－off和iL14－off也分別以斜率kVI/(1－k)L11、kVI/(1－k)L13和kVI/(1－k)L14線性減小。電流－iC12－off、－iC13－off、－iC14－off和iD10都等于iL11－off，所以也以斜率kVI/(1－k)L11減小。如果流過二極管D10的下降電流iD10在開關(guān)再次轉(zhuǎn)向閉合時(shí)沒有下降到零,則電路工作在圖2(a)、(b)所示的連續(xù)工作模式狀態(tài)，相應(yīng)的波形如圖3(a)、圖4(a)和圖5所示。

圖3負(fù)輸出羅氏三舉變換器理想的電流和電壓波形圖

(i)VI/L11

(ii)kVI/(1－k)L11

(iii)3[VI/L11＋δ'(t)]

(iV))kVI/(1－k)L11

(v)VI/L11＋δ'(t)

(a)連續(xù)模式

(b)非連續(xù)模式

如果流過二極管D10的下降電流iD10在開關(guān)再次轉(zhuǎn)向閉合前已下降到零,則電路工作在圖2(c)所示的非連續(xù)模式工作狀態(tài)，相應(yīng)的波形如圖3(b)和圖4(b)所示。

圖4負(fù)輸出羅氏三舉變換器理想的電壓波形圖
(a)連續(xù)模式(b)非連續(xù)模式

負(fù)輸出羅氏三舉變換器的分析是在下列假設(shè)下進(jìn)行的：

(1)負(fù)輸出羅氏三舉變換器的所有元器件都是理想的；

(2)所有電容的容量足夠大。因此，電容上電壓是一恒定值，并等于VO或VI。在此假設(shè)下，在圖2所示的等效電路中，電容C10和C11可用電壓源VO來代替，電容C12、C13和C14可用電壓源VI來代替。

2連續(xù)工作模式的穩(wěn)態(tài)分析

2．1電流和電壓的平均值

計(jì)算過程省略。

連續(xù)模式時(shí)電壓傳輸增益M為:

M=VO/VI=3/(1－k)(1)

M對(duì)k的關(guān)系曲線如圖6所示，可見M隨k的增加而增大。

圖6電壓傳輸增益M對(duì)k的關(guān)系曲線