宽输入DC-DC Boost变换器电感参数设计*

陈文奎，程为彬，郭颖娜

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安710065）

宽输入DC-DC Boost变换器电感参数设计*

陈文奎，程为彬，郭颖娜

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安710065）

根据DC-DC Boost变换器的工作原理，给出电流连续模式时电感临界参数的计算表达式。分析负载和开关频率恒定时，临界电感量与占空比的变化关系。重点研究宽范围输入时，电流连续模式下电感量的选取方法。通过仿真进行分析，结果与理论分析一致，验证了电感参数选取的合理性。

DC-DC变换器；Boost变换器；电流连续模式；参数设计

0　引言

Boost变换器是开关电源常用拓扑电路之一，广泛应用于电力电子技术领域[1-2]，包含电感、电容和开关管等器件，这些器件的设计和选择对电路的工作状态有重要影响。在电流连续模式（CCM）Boost变换器中，储能电感选择过小，可能产生电流不连续的现象，影响电路的正常运行和输出电压；储能电感选择过大，不仅会导致电感上能量消耗过多，妨碍功率因数的进一步提高，而且会导致成本上升，造成浪费。为此，文献[3]对Boost变换器电感参数的计算进行了讨论，得出负载和开关频率恒定、输入和输出电压不变时，CCM模式下电感参数的选择方法；而很多时候输入电压是在一个范围内变化的，此时电感参数会受到影响。因此，有必要对输入电压范围变化时CCM模式下电感参数的选择进行深入研究。

1　Boost变换器的工作模式

Boost变换器的拓扑结构电路如图1所示。

图1　Boost变换器拓扑结构电路

根据电感电流的最小值是否为零，可将 Boost变换器工作模式分成电流连续模式(CCM)、电流临界连续模式（CRM）和电流断续模式(DCM)。CCM模式下Boost变换器电感电压和电流波形如图2所示。

Boost变换器的CCM模式和 DCM模式的临界电感LB为[4]：

式中，D为占空比，TS为开关周期，UO为输出电压，IO为输出电流。

图2　CCM Boost变换器电感电压和电流波形

当电感 L=LB时，变换器工作于 CRM模式；当 L>LB时，变换器工作于 CCM模式；当 L

将IO=代入式（1），整理得：

式中，RL为负载电阻。

由式（2）可知，临界电感量的选取与占空比、负载和开关管工作周期有关。当负载和开关频率恒定时，临界电感量取决于占空比的大小。此时，若输入/输出电压恒定，为保证变换器工作于CCM模式，电感L只需大于临界值LB即可。若输入电压范围变化，输出电压不变，临界电感量的选取需要重新进行分析。

2　最小电感选择

2.1临界电感与占空比的关系

当负载和开关频率恒定时，临界电感LB与占空比D关系如下：

图3　F与D的变化曲线图

当负载和开关频率恒定时，由于临界电感LB正比于F，故LB与D的变化关系和F与D的关系一致。

2.2输入电压变化时电感设计

若输入电压 UI范围变化，由于输出电压 UO不变，可知占空比D是范围变化的。假设占空比D的最大值为Dmax，最小值为 Dmin，此时临界电感 LB随着 D也是范围变化的，则临界电感 LB必存在最大值 LBmax，使得输入电压变化时Boost变换器仍工作在CCM模式。因此，要使Boost变换器在宽范围输入时均处于CCM模式，电感L的最小值 Lmin必须等于临界电感LB的最大值LBmax。由于临界电感LB与占空比D的关系如图3曲线所示，故电感L的选取分以下3种情形：

3　仿真验证

为了验证上述理论分析，对Boost变换器进行仿真研究。其参数如下：输入电压 UI为12 V～36 V，输出电压UO为48 V，负载电阻为 48 Ω，输出滤波电容值为 100 μF，开关频率50 kHz。

将输入电压范围分12 V～24 V、12 V～36 V、33 V～36 V 3种情况进行讨论。首先分析输入电压 12 V～36 V，其CCM模式电感的最小值确定方法如下：

(1)输入电压的变化范围 12 V～36 V，得出占空比 D的变化范围为0.25～0.75。

(2)由式（2）得出占空比在 0.25和 0.75时所对应的临界电感分别为67.5 μH和22.5 μH。

其中输入电压32 V，电感取值分别为22.5 μH、67.5 μH和71.1 μH时电感电流仿真波形如图4所示，输入电压12 V和36 V的仿真结果由表2给出。

表1　输入电压、占空比和临界电感的对应关系

图4　输入32 V时电感电流仿真波形

表2　输入电压和电感变化时变换器工作模式

由图4可知，输入电压32 V时，其临界电感为71.1 μH。由表2知，输入电压12 V和36 V时，其临界电感分别为22.5 μH和67.5 μH。当电感值小于临界电感时，Boost变换器工作在DCM模式；当电感值大于临界电感时，Boost变换器工作在CCM模式。

对图4和表2进行分析，可得输入电压在12 V～36 V变化，电感值 71.1 μH能保证 Boost变换器均工作在CCM模式，而它正好是所对应的临界电感值。这说明当时，要使Boost变换器均工作在CCM模式，电感的最小值应为所对应的临界电感值。

当输入电压在 12 V～24 V和 33 V～36 V两种情况时，通过上述方法得到其最小电感为60 μH和 70.9 μH。3种情况的输入电压所对应的电感选择如表3所示。

表3　输入电压变化时电感的选择

由表3可知，Boost变换器工作在 CCM模式时，其最小电感等于临界电感的最大值。当最大占空比时，最小电感在 Dmax处取得；当最小占空比时，最小电感在 Dmin处取得；当时，最小电感在处取得。由此可见，仿真结果与理论分析一致，从而验证了理论分析的准确性。

4　结论

由于输入电压的变化，导致临界电感值范围变化。为保证Boost变换器均能工作在 CCM模式，所取电感的最小值应为临界电感的最大值，此时电感的选取分为3种情况进行讨论并得出相应结论。采用这种方法选取的电感不仅使 DC-DC Boost变换器电感的设计更加精准可靠，也为AC-DC Boost变换器电感参数的设计提供了指导意义。

[1]李冬，阮新波．高效率的BOOST型功率因数校正预调节器[J]．中国电机工程学报，2004，24(10)：153-156．

[2]阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术[M]．北京：科学出版社，2000．

[3]皇金锋.基于PSIM的Boost型变换器储能元件参数选择[J].电源技术，2011(9)：1136-1139.

[4]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[5]刘树林，刘健，杨银玲，等.Boost变换器的能量传输模式及输出纹波电压分析[J].中国电机工程学报，2006，26(5)：119-124.

[6]刘树林，刘健，陈勇兵.Boost变换器的输出纹波电压分析与最小电感设计[J].西安交通大学报，2007，41(6)：707-711.

[7]LiuShulin，Liu Jian，Mao Hong，et al.Analysis of operating modes and output voltage ripple of boost DC-DC converters and its design considerations[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(4)：1813-1821.

Parameter design of inductance in DC-DC Boost converter with wide range input voltage

Chen Wenkui，Cheng Weibin，Guo Yingna
(School of Electronic Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China)

According to the working principle of the DC-DC Boost converter,calculation expression of the critical inductance parameter is given in current continuous mode.When the load and switch frequency are constant,the relationship between critical inductance and duty ratio is analyzed.The selection method of inductance is key research in current continuous mode with wide range input voltage.The verification result is consistent with the theoretical analysis by simulation analysis,which means the parameter selection of inductance is reasonable.

DC-DC converter；Boost converter；current continuous mode；parameter design

TM4

A

0258-7998(2015)02-0146-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.02.036

陕西省工业攻关计划(2013K07-14)

（2014-10-11）

陈文奎（1989-），男，硕士，主要研究方向：电力电子技术。

程为彬（1970-），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：电力电子与电能质量控制、智能仪器，E-mail：wbcheng@xsyu.edu.cn。

郭颖娜（1972-），女，硕士，讲师，主要研究方向：电力系统自动化。