DC/DC升压转换器

升压变换器在电子设备中用于产生高于直流输入电压的直流输出电压，从而提升电源电压。升压变换器常用于白光LED的电源、电动汽车的电池组以及其他多种应用中。升压变换器通过开关电路将能量储存在电感器的磁场中，并将该能量传递给负载。通过从电感器磁场中转移能量，可在单级内实现直流输出电压的升高。本视频将演示升压变换器的构建过程，并探究改变变换器工作条件对其输出电压的影响。

这个简单的升压转换器电路由一个输入直流电压源连接到电感器和一个开关组成。该开关可以是双极型晶体管、MOSFET 或其他类似的电子器件，用于交替地将电感器连接或断开与电源公共线的连接。一个阻断二极管将电感器连接至电容器，该电容器用于滤除输出电压中的纹波。增大电容值可减小纹波。当电容足够大时，输出将变为稳定的直流电压。数字脉冲序列控制开关的导通与关断。该脉冲具有占空比，即导通时间与周期之比。占空比可从零开始逐渐增加至接近1，对应导通时间越来越长。当脉冲处于导通状态时，开关闭合，电感器跨接在电源电压两端。在此状态下，连接至电源输出端的电感器端子电位较高，而连接至公共端的端子电位较低。此时电流流经电感器，并在足够高的开关频率下随时间线性增加。在此期间，由于电流随时间变化的斜率为正，电感器电压被定义为正值。电感器在其磁场中储存的能量与电流的平方成正比。电感器连接至电源的时间越长，电流增加越多，储存的能量也越多。当开关断开时，流经电感器的电流必须继续沿相同方向流动，但由于电感器此时向负载释放能量，电流逐渐减小。由于电流随时间变化的斜率为负，电感器电压变为负值。结果，电感器的极性反转，其电压与输入电压“V in”相叠加，从而在输出端产生更高的电位。在此状态下，电路使二极管正向偏置，电感器释放电流，部分流向负载，部分流向电容器，电容器则储存电荷。当开关再次闭合时，二极管变为反向偏置，将电感器与输出端断开，防止负载发生短路。在此期间，电感器重新充电，而电容器则向负载提供电流。电容器的充放电循环导致输出电压存在一定的平均值及纹波。在足够高的开关频率下，电容器的充放电时间很短，输出电压迅速达到稳态，纹波相对较小。该开关循环无限重复，构成了升压转换器工作的基础。理想情况下，平均输出电压随占空比的增加而升高，当占空比达到1时，理论上可产生无限高的电压。然而，升压转换器中的寄生元件和电阻限制了占空比D的实际可用范围，其最大值通常约为0.7或0.8。若D足够大，寄生效应将主导电路工作，即使D继续增加，输出电压反而会下降。在接下来的实验中，我们将研究升压转换器如何在连续导通模式（Continuous Conduction Mode，简称CCM）下实现电压提升，该模式是指电感器始终工作在非零电流状态的一种工况。

本实验中的输出电压限制为50伏直流或更低。仅使用指定的占空比、频率、输入电压和负载。这些实验使用HiRel Systems Power Pole Board，该电路板专为测试不同直流-直流变换器电路拓扑结构而设计。在关闭信号电源开关S90的情况下，将±12伏信号电源插入den连接器J90。将PWM控制选择跳线J62和J63设置为开环位置。调节直流电源至正10伏，但暂不将电源输出连接至电路板。接下来，按照图示搭建电路，包括下侧MOSFET、上侧二极管以及BB磁性电路板。记录BB磁性电路板上电感器的数值。负载电阻采用功率电位器。使用万用表测量其阻值，并将其调节至20欧姆。然后将该电位器连接在V1+和COM端子之间。将开关选择组S30设置如下：PWM驱动下侧MOSFET、使用板载PWM、关闭切换负载。将示波器的差分探头连接在16号端子（下侧MOSFET的栅极）与12号端子（源极）之间。打开开关S90，驱动MOSFET的脉冲序列应显示在示波器屏幕上。调节示波器时间轴，以显示该波形的多个周期。调节频率调节电位器RV60，使开关频率达到100千赫兹。调节占空比电位器RV64，使脉冲导通时间为1微秒，对应占空比为0.1。

将直流电源连接至输入端子 V2+ 和 COM。为测量电感电流，请将差分示波器探头连接在端子 CS5 与 COM 之间。为测量负载电阻 RL 两端的电压，请将另一个差分探头连接在端子 V1+ 与 COM 之间。输出电压应为三角波形。当升压变换器的开关断开，电感向负载传递能量时，出现上升斜坡；当开关闭合，电感与输出断开，电容向负载提供能量时，出现下降斜坡。电感电流为三角波形，在脉冲序列的导通时间内线性上升，随后在关断时间内线性下降。其偏移量即为平均电流。利用示波器内置的测量功能，测量输出电压的平均值和电感电流的平均值。将输入直流电源分别设置为 8、12 和 14 伏特，重复上述步骤。对于固定的占空比，随着输入电压增加，理想升压变换器的输出电压应成比例增加。

本实验部分测量的是脉冲序列的占空比，而非电感电流。将示波器探头连接至16号和12号端子，这两个端子分别为下侧MOSFET的栅极和源极。将输入直流电源连接至V2+和COM端子。与之前类似，输出电压为三角波，由电感和电容交替向负载提供电流所致。MOSFET的栅源电压是一个频率为100千赫兹、周期为10微秒、导通时间为1微秒的数字脉冲序列。测量输出电压的平均值、栅源电压的导通时间，以及直流电源的输入电流和电压读数。随后调节占空比电位器RV64，使脉冲序列的导通时间分别为2、4和6微秒，对应占空比分别为0.2、0.4和0.6，每种情况下均重复测试。

随着占空比 D 增大，升压变换器的输出电压也随之增加。理想情况下，若 D 为 0.2，则 10 伏的输入电压将产生约 12.5 伏的输出电压；若 D 为 0.4，则输出电压约为 16.6 伏；若 D 为 0.6，则输出电压约为 25 伏。通常情况下，实际输出电压低于理想关系式所预测的值，这是因为寄生元件导致了非理想的电压降和未计入的能量损耗。当占空比趋近于 1 时，理论输出电压将趋于无穷大。但实际上，输出电压通常被限制在输入电压的三到四倍左右，且当 D 增大到足够高时，寄生元件和非理想元件的影响将导致输出电压开始下降。

升压变换器可产生高于输入电压的输出电压，许多应用采用升压变换器以增加电源选择的灵活性。太阳能电池板的输出电压会随着太阳位置、天气状况和阴影情况而变化。升压变换器通常用于将太阳能电池板阵列的可变输出电压升高，从而为电网提供稳定的电压。电池供电系统常用于为无需电源线的设备供电。为了达到所需的较高输出电压，通常将多个电池串联堆叠。若需要较多电池才能达到目标输出电压，则会占用较大空间。因此，升压变换器被用来在节省空间的同时提升电压。

您刚刚观看了 JoVE 关于升压变换器的介绍视频。您现在应该理解升压变换器的工作原理，以及调节输入电压、占空比和频率如何影响输出电压。感谢观看。