2019-03-16推拉电磁铁
摘要：本⽂是⼀篇归纳性综述⽂章，以Boost电路与推挽式电路两种直流升压电路为例，介绍直流升压电路的基本原理，定性分析直流升压的实现过程；进⽽从⼩功率（如便携设备内部器件变压）与⼤功率（如直流输电变压）两个领域对直流升压技术的应⽤现状与发展进⾏综述。最后，分析该技术在⽣物医疗器械（如PET）中的应⽤前景。
关键词：直流升压；BOOST；推挽式放⼤电路
⼀、引⾔
直流升压技术是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压的⼯程技术，⼀种⽅法是利⽤电感的储能作⽤和电容的滤波作⽤进⾏升压；另⼀种⽅法通过⾼频振荡产⽣低压脉冲，再通过脉冲变压器升压到预定电压值，继⽽应⽤脉冲整流技术来获得⾼压直流电。直流升压过程是依靠⼀个⽤开关调节⽅式控制电能的变换电路，即DC-DC变换器来实现的。DC-DC变换器的核⼼部件是⼀类由晶体⼆极管、储能器（或变压器）、电容及感应器组成的开关变换器，其输出电路通过由电容组成的低通滤波器对电流的整流，实现⾼压直流电的输出。
直流升压技术的不断更新与完善，很⼤程度上影响了DC-DC变换器拓扑的演化。⾼功率密度、⾼效率、⾼性能、⾼可靠性以及低成本、⼩体积是DC-DC变换器的发展⽅向。⽬前，直流升压技术已⼴泛应⽤于使⽤电池供电的便携设备中，⼤功率直流输电技术、光伏电站等领域，具有良好的应⽤前景。
⼆、升压电路的原理及分析
柿子削皮机直流升压电路作为将直流电变成另⼀种固定电压或可调电压的DC-DC变换器，在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电⼒电⼦变换装置及各种⽤电设备中得到普通的应⽤。随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种⽅式的变换电路。按照电路的拓扑结构，主要分为隔离型和⾮隔离型电路。
2.1⾮隔离型电路
⾮隔离型拓扑结构包括BUCK电路、BOOST电路、CUK电路、SEPIC电路等，其中BUCK电路是直流降压电路，⽽BOOST升压电路的应⽤最为⼴泛，也是后⾯两种电路的基础。因此本节着重介绍BOOST升压电路的原理及特点。
BOOST升压电路的基本拓扑结构如下图所⽰，实际的电路中开关⼀般为IGBT元件（绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半
导体器件，兼有MOSFET的⾼输⼊阻抗和GTR的低导通压降两⽅⾯的优点）或可控硅元件等代替，相应的控制信号有基于PWM技术的脉冲发⽣器来提供。[1]
图 1 BOOST升压电路的基本拓扑结构
根据模拟电路分析开关S闭合与断开情况，结合电路理论的基本知识，可以推出输出电压
综上所述，BOOST电路的升压过程是电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量；放电时电感放出能量。如果电容量⾜够⼤，就可以在输出端放电过程中保持⼀个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复。就可以在电容两端得到⾼于输⼊电压的电压。
电路中的⼆极管主要起隔离作⽤，即在开关闭合时，⼆极管的正极电压⽐负极的电压低，此时⼆极管截⽌，使此电感的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电；因在开关断开时，两种叠加后的能量通过⼆极向负载供电，此时⼆极管正向导通，要求其正向压降越⼩越好，尽量使更多的能量供给到负载端分布式kvm
⾮隔离型DC-DC拓扑结构⽐较简单，电路所需的器件数量较少，且易于设计和控制。但同时也受到输⼊输出电压⽐的限制，⽆法适⽤于电压转换⽐例较⼤的场合，也⽆法达到电⽓隔离的要求，这些拓扑结构适⽤于⼩功率设备中。[2]
2.2隔离型
隔离型拓扑结构主要包括“反激式电路”、“正激式电路”、“推挽式电路”、“半桥式电路”、“全桥式电路”及由这些基本电路衍⽣出来的相关电路。
这种电路的基本⼯作过程都是：⾼频振荡产⽣低压脉冲――脉冲变压器升压到预定电压值――脉冲整流获得⾼压直流电。[2]
其中推挽式直流升压电路应⽤较为⼴泛，同时，推挽式电路经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动和电流脉动都很⼩，因此只需要⼀个很⼩的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到⼀个电压纹波和电流纹波都很⼩的输出电压。[2]因此，推挽式电路是⼀个输出电压特性⾮常好的开关电源。本节以此为例论述隔离型直流升压电路的特点。
⼀种推挽式升压电路
平板电脑支撑架其⼯作原理为：
⑴从，导通，截⽌，通过加到变压器的原边绕组上上，根据变压器的匝数⽐，将有2倍的输⼊电压施加于截⽌的开关管上，当激励消失时，其集电极施加的电压均为输⼊电压
⑵从导通截⽌，此阶段原理同上，下⼀个周期依次往复。
电路⼯作时，由于两只对称的功率开关管每次只有⼀个导通，因此开关管的导通损耗⼩，效率⾼，其开关变压器磁芯利⽤率也较⾼。
隔离型的DC-DC拓扑结构相对复杂，电路所需器件数量较多，同时还要考虑磁芯磁化和饱和等众多问题。由于加⼊了隔离变压器，可以达到电⽓隔离的要求，并获得较⾼的输⼊输出电压变⽐，这种拓扑适⽤于⼤功率应⽤场合。[4]
推挽式电路的主要缺点是当系统长期⼯作或经常⼤功率运⾏时，电路很容易产⽣磁通不平衡的现象，即偏磁现象，容易烧毁关管及相关器件。[3]推挽式电路另⼀个缺点就是电路的开关管的关断耐压值较⼤，相对于其他⼏种电路，其耐压必须⼤于⼯作电压的两倍。因此，推挽式电路很少在⾼压输⼊时使⽤。
三、升压电路的应⽤
直流升压技术满⾜使⽤电池等直流供电源的设备在运⾏时对较⾼的直流电压的需求，在⼿机、传呼机等⽆线通讯设备、照相机闪光灯、便携式安检仪、电蚊拍等得到了⼴泛的应⽤。同时，⼤功率直流输电技术、光伏发电技术、不间断电源（Uninterruptible Power Supply， UPS）技术的发展也离不开直流升压技术的应⽤。[5]
2.1在LED驱动中的应⽤
在⼿机、数码相机等电⼦产品的应⽤电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或显⽰屏背光的LED，调节LED 的明暗程度。驱动LED的电路⼀般可分为并联驱动与串联驱动两种。并联驱动采⽤电容型的电荷泵倍增电压原理，所有的LED 负载都是以串联的形式连接；串联驱动采⽤电感型直流升压转换原理（Boost电路），提升系统的总电压来满⾜串联的单个LED负载的额定电压需求。串联驱动电路升压器件体积⼩、效率⾼，占⽤空间更⼩，因此在移动电话、数码相机、PDA⼿持设备、MP3播放器、GPS接收器等设备上有更为⼴泛的应⽤。[6]
串联的LED电感型直流升压转换应⽤了Boost电路升压原理，Monolithic Power Systems（MPS）公司的升压器件MP1518芯⽚，很好的应⽤到了⼿机等设备中。另外，在输⼊电压⼀定的条件下，驱动LED两端的电压和信号的占空⽐有关。信号的占空⽐越⼤，输出电压越⼤，LED的亮度也就越⼤。在实际应⽤中，往往是在使能管脚EN加上⼀个PWM波，通过改变这个PMW 波的占空⽐来调整LED的亮度。
2.2在太阳能光伏发电系统中的应⽤
太阳能电池的发电原理是利⽤⼊射于半导体时所引起的光电效应。[6]光伏电池的基本特性和⼆极管类似，这与传统的发电⽅式是完全不同的，没有转⼦的转动部分，不利⽤电磁相互作⽤，因此，其产⽣的电流为直流电。[7]光伏发电系统主要包括太阳能电池板、充电机、蓄电池、控制器、直流升压电路、逆变器等。
典型的光伏发电系统由光伏电池阵列、储能系统、逆变器、直流控制系统四部分组成。其中，单体光伏电池发出的电能很⼩，是直流电，为满⾜实际需求，获得⾜够⼤的发电量，要将单体光伏电池连接成电池组，再由电池组组成太阳能光伏阵列。在电能从光伏阵列到储能单元，再到你变单元的传输和交换过程中，要保持系统的⾼效与安全运⾏，所以需要直流控制系统对整个过程进⾏调整、保护和控制。[8]
光照强时，太阳能电池的低压直流电直接提供给直流升压电路，通过充电器给蓄电池充电储能；光照弱时，太阳能电池输出功率达不到光伏发电的要求，这时，作为储能装置的蓄电池就为直流升压电路提供低压直流电，保证了光伏发电系统的连续性和稳定性。直流升压电路把低压直流电升⾼到330V⾼压直流电，然后通过逆变器就可得到50Hz/220V交流电。输出交流电压和电流通过检测电路反馈给控制器，控制器可以实现闭环控制。
2.3在光电倍增管中的应⽤
光电倍增管⼴泛应⽤在各种光电检测仪器中。[9]同样，在⽣物医学⼯程领域中，光电倍增管在光电成像检测与仪器（如PET）中发挥了不可替代的作⽤。早期的光电倍增管的电源由⼯频变压器升压后经过倍压整流得到，这种电源体积⼤效果差。⽬前光电倍增管的⾼压电源采⽤直流变换器⽅式，⽐起⼯频变压器升压后再整流⽅案体积⼩、效率⾼，具有良好的应⽤前景。
[10]
采⽤直流升压技术的光电倍增管电路⼯作原理框图如图所⽰。
输⼊直流电压为+12 V，输出电压可调，典型的输出电压为+1200 V。其主要构成为低压直流供电电源、PWM控制电路、功率开关管、⾼频变压器、倍压整流电路、滤波电路和取样反馈电路组成。+12 V直流输⼊电压为控制电路和变压器提供⼯作电源；PWM控制电路的输出信号驱动功率晶体管，为⾼频变压器提供低压⾼频⽅波；⾼频变压器的交流输出信号通过倍压整流电路得到进⼀步的升压和整流，输出直流⾼压信号；⾼压输出信号经过滤波电路后得到进⼀步的滤波，有效地减⼩输出纹波系数；输出电压反馈电路为PWM控制电路提供电压反馈信号，通过与脉冲调制器中误差放⼤器的基准电压⽐较，以控制脉冲调制器的输出脉冲占空⽐，从⽽达到调节输出电压的⽬的。[11]
四、结束语
本⽂介绍了两种主要直流升压电路的原理及其应⽤。BOOST电路通过开关管和电感储能达到升压的⽬的。它相对简单，功率密度⼤，电流较⼩，采⽤的是⾮隔离的拓扑结构；也正因为如此，其本⾝就是⼀个电磁⼲扰源，可能导致周围电⼦设备的功能紊乱。⽽以推挽式直流升压电路为代表的使⽤变压器升压的电路，由于采⽤了隔离式的拓扑结构，同时可以通过匝数⽐和后⾯的倍压整流电路进⼀步升压，从⽽更适合输⼊电压低、变压⽐较⾼，并且需要进⾏隔离的情况。⼆者依据其⾃⾝特性，具有很
⼴泛的应⽤。在⼿机、数码相机等电⼦产品的应⽤电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或显⽰屏背光的LED，调节LED的明暗程度。在光伏电池中，通过直流升压电路将光照转化的低压直流电经充电器给蓄电池充电储能。再如在⼴泛应⽤在各种光电检测仪器中的光电倍增管中，为各个极板之间的⾼压电场供电的⾼压电源采⽤直流变换器⽅式，⽐起⼯频变压器升压后再整流⽅案体积⼩、效率⾼。
参考⽂献
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