Boost变换器家族的过去、现在和未来

1Boost变换器家族的过去、现在和未来张兴柱博士世纪电源网（上海）（2010年5月完成）2内容目录1：Boost变换器家族过去的寂寞2：Boost变换器家族最近的崛起3：Boost变换器家族未来的前景3一：Boost变换器家族过去的寂寞41：2000年前的Boost变换器家族：始祖；Boost变换器没有研究没有研究第二代。。。。。。。。---在2000年之前是电力电子中研究最少的家族；---只有始祖Boost变换器被业界公认为是AC-DC开关电源产品中前置级PFC最好的功率级拓扑，而被广泛应用；---2000年之前的很长时间内，学术界不关心这个家族，很少有开发人员知道Boost变换器家族中还会有其它成员，如隔离Boost变换器。而与之相应的其它两支家族，即Buck变换器家族和Buckboost变换器家族在2000年前且被研究得非常多，有些成员在一定的时期内甚至被暴炒。5Buck变换器的家族：始祖；Buck变换器正激变换器桥式变换器#1：三绕组去磁单正激#2：二极管去磁双正激*#3：谐振去磁单正激*#4：谐振去磁双正激#5：有源去磁单正激*#6：有源去磁双正激。。。其它第三代：#1：对称驱动推挽#2：对称驱动半桥#3：对称驱动全桥#4：对称驱动推挽正激。。。其它主要是各种软开关电路如准谐振、多谐振电路、ZVS、ZCS、ZVT、ZCT等太多了主要是各种软开关电路如相移控制全桥电路*不对称半桥*ZVZCS-PWM全桥。太多了第二代。。。。。。。。--是电力电子中最庞大的家族；--打*的成员是开关电源产品中用得最多的拓扑；--有些拓扑的研究被暴炒过；如有源去磁正激、准谐振、多谐振、相移全桥、不对称半桥、及其它各类软开关变换器。6始祖1；Buckboost变换器反激变换器第三代：第二代#1：三绕组吸收单反激#2：二极管吸收双反激#3：RCD吸收单反激#4：有源吸收单反激。。。其它Buckboost变换器的家族（共四小支）：主要是各种软开关电路如准谐振、多谐振电路、ZVS、ZCS、ZVT、ZCT等始祖2；Cuk变换器隔离变换器第三代：第二代。。。。。。。。#1：基本隔离Cuk#2：集成磁隔离Cuk*。。。其它打*的成员被暴炒过。没有研究7始祖3；Sepic变换器隔离变换器第三代：第二代#1：基本隔离Sepic单级PFC电路的始祖*始祖4；Zeta变换器隔离变换器第三代：没有研究第二代#1：基本隔离ZetaBuckboost变换器的家族（共四小支）：打*的成员被暴炒过。82：2000年前的Boost变换器没有家族，显得非常寂寞。3：2000年前的Boost变换器家族虽然寂寞，但其本身且非常有用，这要归功于类似于IEC1000-3-2这样的谐波标准。电力电子产品虽然是节能产品，但对电网会带来严重的污染，主要表现在电流谐波大、输入功率因数低两大方面，为了处理电力电子产品的谐波污染和低功率因数，提出了相应的谐波标准，如对开关电源产品，当功率在75W以上时都要满足谐波标准，所以在20世纪80年代初，产生了功率因数校正（PFC）技术，并在这一标准的推动下，形成了BoostPFC这一业界的PFC平台。4：为什么选择Boost变换器作为PFC的功率级，而不选用其它的拓扑呢？下面从Boost变换器的特征给出原因9（1）Boost变换器的稳态电压增益：goVDV−=11sonTtD/=10≤D其中：由电感电压伏秒平衡：sgDTV×正向伏秒：反向伏秒：sgoTDVV)1)((−−所以：sgosgTDVVDTV)1)((−−=×有下列输入/输出稳态关系：goVDV−=11（2）Boost变换器的特征：--输出电压高于输入电压；--输入电流连续；--输出电流断续；--开关驱动不需隔离。LSDCRVoVg--输入电流连续可使输入EMI滤波器小；--开关驱动不需隔离，可使控制简化；--输出电压高于输入电压，会使后级DC-DC器件的电压应力较高；--输出电流断续和动态问题，因还有后级DC-DC，所以并不要紧。105：用Boost变换器组成BoostPFC的例子1：小功率时有：---定占空比DCMBoostPFC，IC可采用UC3842~UC3845最常用的芯片；---CCM/DCM边界控制BoostPFC，IC可采用L6561、L6562等；2：中大功率单相输入时有：---平均电流跟随控制BoostPFC，IC可采用UC3854、UC3818等；---电流箝位控制BoostPFC，IC可采用UC3842~UC3845等；---。。。3：三相大功率时有：---单开关DCM三相BoostPFC，IC可采用UC3825、UC3525等；---六开关BoostPFC，控制可采用DSP---。。。111：平均电流跟随控制的BoostPFC结构框图VinVoRUC3854控制简图输入电压波形取样输入前馈电压取样电压环ABCCAB电流环PWM及驱动三角波基准（1）：是一种完全的PFC校正控制，通过一个乘法器和电压环实现输出的稳压，正弦的电流环基准，及输入的前馈；用快速的电流环实现输入电流的正弦和单位功率因数；（2）：BOOSTPFC主功率级的工作模式应设计在连续工作模式，由于输入电压的宽范围，事实上它也有小范围的不连续工作模式；（3）：是一种定频控制；（4）：传导EMI较小；（5）：交流输入电流的失真很低；（6）：控制成本较高；（7）：BOOST二极管的反向恢复损耗较大。目前，这种技术较多地用于中大功率的一次电源，小功率领域应用较少122：CCM/DCM边界控制的BoostPFC结构框图VinVoRMC33368控制简图输入电压波形取样电压取样电压环ABAB电流比较器驱动电路基准（1）：是一种完全的PFC校正控制，通过一个乘法器和电压环实现输出的稳压，电流比较器的基准；用电流比较器及滞后控制实现输入电流的正弦和单位功率因数；（2）：BOOSTPFC主功率级的工作模式应设计在连续/断续工作模式，由于输入电压的宽范围，开关频率的工作范围有限，事实上它也有小范围的不连续工作模式；（3）：是一种变频控制；（4）：传导EMI较大；（5）：交流输入电流的失真很低；（6）：控制成本较低；（7）：BOOST二极管无反向恢复问题。目前，这种技术较多地用于中小功率的工业电源和计算机电源。13acV1gV2gV1L2L1gi2gi1oC2oC1iC2iC1oV2oVinV1cD2cD1D2D1R2R1S2S1oI2oIEMIUC3854控制（下半）输入电压波形驱动输入电压有效值电压取样BC2oVUC3854控制（上半）电压取样1oVBC驱动SynSyn3：单相倍压BoostPFC的结构框图14VaVbVcVcb=800VRPWMControl4：6n次谐波注入三相DCM单开关BoostPFC的结构框图155：三相六开关BoostPFC的模拟控制框图–SixStepPWMABCABCapSanSbpScpSbnScnSB相UC3854控制输入电压波形取样输入前馈电压取样电压环ABCCAB电流环PWM及驱动三角波基准avaiiR×aSC相UC3854控制A相UC3854控制简图bScSPWM信号分配电路apSanSbpSbnScpScnSzvtSbvcvbiiR×ciiR×apSanSbpScpSbnScnSB相UC3854控制输入电压波形取样输入前馈电压取样电压环ABCCAB电流环PWM及驱动三角波基准avaiiR×aSC相UC3854控制A相UC3854控制简图bScSPWM信号分配电路apSanSbpSbnScpScnSzvtSbvcvbiiR×ciiR×166：2000年前的Boost变换器家族非常寂寞，但要感谢IEC1000-3-2标准，使得Boost变换器一直是一个非常闪耀的明星，它在大部分的AC-DC开关电源中都要用，现在的BoostPFC已成为工业界不可动摇的平台，许多功率器件，如MOSFET和二极管也都是按BoostPFC的输出电压（400V）来选择其额定阻断电压（600V）的，许多后级的DC-DC也都是在这个BoostPFC平台的基础上，无奈地选择多管隔离Buck变换器的，所以当今的AC-DC开关电源，多数情况下可用下列框图表示，这个框图告诉我们AC-DC开关电源中的第一级为BoostPFC，第二级则为多管隔离BuckDC-DC变换器，前者与电网友好、后者与负载友好。acVEMI多管隔离Buck及控制BoostPFC负载17二：Boost变换器家族最近的崛起181：Boost变换器家族崛起的原因：---新能源的利用，如燃料电池和太阳能电电池；由于上述两种能源是可再生能源，目前正在被各国政府大力提倡，但要利用这些可再生能源，就要采用下列框图来实现DC-AC的变换。上述框图如还采用传统的Boost来升压的话，就会存在下列问题：会因为占空比的极端之大，而使其效率很难优化，原因是高输出电压的要求使得基本Boost变换器中的MOSFET和二极管均需选择高压器件，而很低的输入电压又会使得Boost变换器输入电流的有效值和峰值非常大，这将导致通态电阻较大的高压MOSFET之通态损耗，及因二极管反向恢复引起的MOSFET之开通损耗和大电流峰值下的MOSFET之关断损耗均非常大，所以为了提高这种具有极端占空比要求的升压变换器的效率，希望能够将其的工作占空比控制在合理的范围内。如能找出Boost变换器的一系列隔离版本的话，则就可以对具有大升压比要求的DC-DC，通过设计变压器的变比，来得到最佳的工作占空比范围，以实现最高的变换效率。燃料电池或太阳能电池DC-AC隔离Boost负载或电网20V~30VDC400VDC220VAC192：现在的Boost变换器家族：始祖；Boost变换器有研究有研究第二代。。。。。。。。---现在已有许多大升压比的Boost变换器和隔离Boost变换器方面的研究；---这些Boost变换器都有其始祖所类似的升压特性，有的是隔离的，有的是非隔离的；---目前对隔离Boost变换器还没有非常系统的整理。下面介绍一些隔离Boost变换器的拓扑，供大家参考。203：传统的隔离Boost变换器：隔离Boost变换器#1—电流型推挽变换器goVDNV）（−=121)15.0(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=1210Im=D2LCRVoD1NpNsVgS2S1NsNpDTsTsNVo-VgS2S1Ts/2Vg=伏秒平衡方程：21隔离Boost变换器#2—电流型全桥变换器goVDNV）（−=121)15.0(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=1210Im=VgVoRLCpNsNsNS4S3S1S2D1D2DTsTsNVo-VgS1、S3S2、S4Ts/2Vg=伏秒平衡方程：22隔离Boost变换器#3goVDNV）（−=11)15.0(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=110ImLCRVoD1NpNsVgNcDcS2S1dTsTsS1（很小）将三绕组去磁正激的输入/输出相互交换，有源开关和无源开关也相互交换后所得。LCRVoD1NpNsVgNcDcS2S1234：作者发展（1996年）的隔离Boost变换器：隔离Boost变换器#1—正激型D2CRVoD1NpNsVgSC1VcgoVDNV）（−=11)10(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=11oIDN）（−=11ImocDVV=24隔离Boost变换器#2—反激型D2CRVoD1NpNsVgSC1VcgoVDNV）（−=11)10(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=11oIDN）（−=11ImNVVgc/=25隔离Boost变换器#3—Cuk型（A）goVDNV）（−=11)10(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=110Im=gcVV=11D2CRVoD1NpNsVgSLC11C12NVVgc/12=26隔离Boost变换器#4—Cuk型（B）goVDNV）（−=11)10(D其中：spNNN=ogIDNI）（−=110Im=gcVV=11D2CRVoD