如何克服升壓轉換器本身的限制？

本文探討升壓拓撲本身的限制，以及如何克服這些限制。在設計和評估升壓轉換器時(shí)，我們發(fā)現有時(shí)未能達到預期的輸出電壓，其電壓要低于期望值。

我們使用升壓轉換器，從低輸入電壓生成高輸出電壓，使用開(kāi)關(guān)穩壓器和升壓拓撲可以輕松實(shí)現這種電壓轉換。但是，電壓增益本身存在限制。電壓增益是輸出電壓與輸入電壓的比值，如果從12 V輸入電壓生成24 V輸出電壓，電壓增益為2。

以一個(gè)工業(yè)應用為例，需要從24 V電源電壓生成300 V輸出電壓，輸出電流為160 mA。

圖1. 升壓轉換器電路。

還可以使用占空比來(lái)表示電壓增益：

占空比和電壓增益是升壓轉換器的主要參數，表示在每個(gè)周期中，開(kāi)關(guān)S開(kāi)啟的時(shí)長(cháng)。電壓增益表示輸出電壓超出輸入電壓的比例（因數）。為了生成高電壓，占空比數值會(huì )增大到接近于1，但不會(huì )達到1。

選擇具有較高的最大占空比的升壓轉換器，似乎可以從低電源電壓生成高輸出電壓。但是，這不是唯一的決定因素。除了占空比限制，還必須考慮可能達到的最大電壓增益。

電壓增益是升壓轉換器可能實(shí)現的最大輸出電壓與可用的輸入電壓的比值。我們可以這樣理解升壓轉換器本身的限制：在使用升壓轉換器時(shí)，所有電能從輸入端傳輸到輸出端時(shí)，必須先暫時(shí)存儲起來(lái)。在開(kāi)啟期間，也就是，在圖1中的開(kāi)關(guān)S開(kāi)啟期間，電能將暫時(shí)存儲在電感L中。此時(shí)，圖1中的二極管D會(huì )阻斷電流流動(dòng)。

在關(guān)閉期間，電感L中暫時(shí)存儲的電能會(huì )放電。電感充電和放電都必須遵循電感規則。在每種情況下，電流由電感值和電感兩端的電壓差決定。電感兩端的電壓可以簡(jiǎn)單描述為：充電期間為VIN，關(guān)閉期間為VOUT - VIN。

電壓增益較高時(shí)，關(guān)閉時(shí)間可能不夠長(cháng)，導致電感中暫時(shí)存儲的電能無(wú)法完全放電。因此，公式1中描述占空比的簡(jiǎn)化公式無(wú)法表述這種限制，只有同時(shí)考慮電感的直流電阻(DCR)和負載電阻時(shí)，最大電壓增益公式才算成立。參見(jiàn)公式2：

所以，RL和RLOAD的比值會(huì )影響可能的輸入和輸出電壓之間的比值，進(jìn)而影響升壓轉換器的電壓增益。該電壓增益可以如圖所示。圖2所示的示例中，輸入電壓為24 V，輸出電壓為300 V，電流為160 mA，負載電阻為1.8 kΩ，電感RL的DCR為3 Ω。

圖2. 當負載電阻高達電感DCR (RL)的600倍時(shí)可能實(shí)現的電壓增益。

在該示例中，圖2顯示電壓增益可能達到約12.5（根據公式2演算得出）。但是，如果負載電阻降低（即：輸出電流增高），或者電感的DCR (RL)增高（即：電感尺寸減?。?，將會(huì )無(wú)法實(shí)現要求的電壓增益。

圖3顯示負載電阻和電感電阻的比值為300時(shí)的電壓增益曲線(xiàn)。此時(shí)，選擇RL為6 Ω，負載電阻為1.8 kΩ。

圖3. 當負載電阻高達電感DCR的300倍時(shí)可能實(shí)現的電壓增益。

圖3顯示，在這種情況下，最大電壓增益僅為9。所以，無(wú)法將24 V輸入電壓轉換為300 V輸出電壓。所選的DCR，或者電感的RL太高了。

總之，在設計采用升壓拓撲的電路時(shí)，務(wù)必要確定可能達到的最大電壓增益。需要注意，它取決于負載電阻（也就是輸出電流）和電感的DCR。如果情況顯示似乎無(wú)法達到所需的電壓增益，可以選擇具有更低DCR的更大電感。