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升壓拓撲(boost)中要求的最大電感量計算

前言

前面我已經講過降壓(buck)中,其恒流源中電感的計算方式,其本質是找到電感電流中電感紋波最大的點,也就是當輸入和輸出存在什么樣的關系時,電感電流的紋波最大,這個結論我們已經通過推導得到,也就是當輸出電壓是輸入電壓的一半(1/2)時,也就是在這個情況下計算電感量,才能滿足系統對紋波的設計要求,那么對于升壓(boost)中,這個關系是如何的呢?我們接著往下看。

升壓(boost)和降壓(buck)是開關電源中最為常用的兩種拓撲,升壓是對輸入電壓的抬升,使其高于輸入電壓,而降壓則剛好相反,所以這兩種拓撲是相輔相成的,升壓拓撲從輸出看輸入則為降壓拓撲,降壓拓撲從輸出看向輸入則為升壓拓撲,在實際電路中我們只要把握主開關的控制,則升壓和降壓是相互轉化的。

如下是升壓或降壓的拓撲示意圖,當Q1為控制主開關時,拓撲表現為降壓;當Q2為控制主開關時拓撲為升壓。主開關之外的另一個開關管是電感的續流管。

升壓或降壓拓撲示意圖

鑒于這兩種拓撲的特點來看,升壓和降壓拓撲是一種“鏡像”對稱的拓撲電路。

對于恒流的升壓電路或者對紋波敏感的電路,如升壓功率因數校正電路(PFC)電路,紋波會直接影響諧波分量,所以,我們依舊追問升壓(boost)電路中最大紋波在哪里?

回到基礎,如下是法拉第電磁感應定理和電感磁通定義表達式,由此我們可以推導出常用的電流變化率和電感電壓的關系,如下假定電感是勵磁過程,可以得到電流的交流變化量△I。

電感電動勢表達式

我們根據升壓(boost)拓撲特點對以上表達式進行化簡,基于升壓(boost)基本的公式,在主開關管開通過程中,電感兩端的電壓是輸入電壓(Uin),以及輸入和輸出的直流傳遞函數,也就是連續模式(CCM)下輸入和輸出滿足的占空比(D)關系。

電感電流紋波表達式

將式子進一步化簡,可以得到一個二次函數,這里把輸入Uin當做一個自變量或未知量,可以容易得到輸出電壓等于輸入電壓的2倍時,電流紋波最大。

電感電流和輸入輸出的關系式

所以當占空比D=0.5時計算得到的電感量,此時電感電流的紋波最大。

同樣如同對恒流降壓(buck)推導一樣,我們還可以將上面式子進行變換,得到分母含有D*(1-D)的式子,我們知道這個式子在D=0.5時會出現最大值,所以我們同樣得到boost恒流源中,電感紋波電流△I最大是在輸出電壓Uo為輸入電壓Uin的2倍的點,而buck則剛好是輸入電壓是輸出電壓的1/2時,電感電流紋波最大,這里也表現出這兩種拓撲的“鏡像”特征。

電感電流紋波電流和占空比關系

如上式子中,我們對這個△I進行數據模擬,可以看到它是兩頭小中間大的結果,可以看到D=0.5時,電感電流△I最大,這個占空比也就是輸入是輸出的1/2的情況。

電感電流紋波和占空比的關系

電感量計算公式,當D=0.5時,利用如下計算式,我們可以得到最大的電感量

升壓的電感表達式

以上表達式同樣可以計算功率因數校正電路的電感量,其中電感電流的紋波電流△I可以通過電流紋波率(r)來界定。

DC-DC的電感電流

以下是功率因數校正(PFC)電路中,電感量的計算,可以看出設計要求中,也是D=0.5時計算電感量。

某datasheet中PFC電感的計算公式
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