负输出罗氏变换器实用性剖析

此方程又可写成：

1＋(20L2Cs3＋130Ls)/R(2L2C2s4＋23LCs2＋65)

=1＋2Ls(20LCs2＋130)/R(0.2LCs2＋1)

(20LCs2＋130)=0(44)

方程(44)分式中分子和分母都有(20LCs2＋130)项，可以相消，即有一对零极点可以相抵消，仅分母中有(0.2LCs2＋1)项产生的一对共轭极点p3,4=±j2.24ωn随负载电阻R阻值的变化而变化，见图11。当负载电阻R阻值由零向无穷大变化时，一条根的轨迹是从原点(零点)出发沿上面一条曲线流向极点p3，另一条根的轨迹则沿下面一条曲线流向极点p4，如图11所示。所有根的轨迹都在s复平面的左半部分，所以负输出罗氏三举变换器在开关关断状态时是稳定的。

图11开关关断状态时电压传递函数的零－极点图

在开关闭合和关断两种状态中，当负载电阻R阻值趋向无穷大时，所有极点都落在虚数轴上，即落在稳定的边界上。因此当电阻R阻值趋向无穷大时，负输出罗氏三举变换器就工作在临界状态。

5实验结果

在VI=12V,f=50kHz,L12=0.6mH,L11=L13=L14=0.3mH,k=0.1～0.9,C11=C10=2μF,C12=C13=C14=20μF条件下测得的输出电压Vo和电感L11两端的电压vL11的波形如图12－17所示。电容C11和C10的耐压选450V，电容C12、C13和C14的耐压选50V；输入电源采用12V汽车蓄电池；固体开关S采用P沟道功率MOS管器件IRF19630G，参数为:耐压VDS=200V;导通电阻RDS－ON=0.8Ω;电流ID－Cont=17A。二极管选快恢复二极管BYT30P－400，其参数为:IF=30A;trr=50ns;VRRM=400V。负载电阻值选100Ω到20kΩ。PWM开关信号是用PWM开关信号集成控制器SG3525产生，所形成的开关脉冲信号的幅值为11V左右。示波器用的是20兆双线（踪)(COS5020）示波器。在图12－14中输入信号采用2V量程，并把灵敏度按钮拔出，使量程提高5倍，即每格为10V。在图15－16中输入信号采用5V量程，并把灵敏度按钮拔出，使量程提高5倍，即每格为25V。在图17中输入信号采用5V量程，输入信号经10：1的输入线衰减10倍后加到示波器的Y输入端，所以Y输入端每格为50V。通道1是电感电压vL11的波形，通道2是输出电压Vo的波形。

图12在k=0.1时vL11和－vo的实测波形

Y轴每格10VX轴每格5μs

图13在k=0.3时vL11和－vo的实测波形

Y轴每格10VX轴每格5μs

图14在k=0.5时vL11和－vo的实测波形

Y轴每格10VX轴每格5μs

图15在k=0.7时vL11和－vo的实测波形

Y轴每格25VX轴每格5μs

图16在k=0.8时vL11和－vo的实测波形

Y轴每格25VX轴每格5μs

图17在k=0.90时,和－vo的实测波形

Y轴每格50V,X轴每格5μs。

因为所有元器件都是用非理想元器件，所以电压转换时就有能量损失，其功率转换效率小于1。全部实测数据如表1所示(在VI=12V,f=50kHz,L12=0.6mH,L11=L13=L14=0.3mH,k=0.1～0.9,C11=C10=2μF，C12=C13=C14=20μF条件下测得)。

表1

选择高阻值的负载电阻可使输出电压值接近于计算值。对应于不同导通占空比的功率传输效率如表1所示。实测结果平均功率传输效率可高达86％（0.5≤k≤0.8）,在k=0.7时效率可高达90％。

6Pspice仿真结果

为了和实验结果相对应，Pspice〖14〗仿真过渡过程条件是设置打印步长为1μs；最后的时间为15ms；没有打印延迟0；步长最高定额是200ns；开关脉冲的上升时间是Tr=1ns；下降时间Tf=1ns；开关闭合时间Ton=2～19μs,开关频率f=50kHz，周期T=20μs。VI=12V,R=100Ω～5kΩ,L12=0.6mH,L14=L13=L11=0.3mH,C11=C10=2μF,C12=C13=C14=20μF。由于仿真时认为所有元器件都是没有功率损耗的理想部件，开关脉冲的上升时间和下降时间都很短（1ns），所以功率传输效率接近100％。但实际上开关S和二极管的电压降都不为零，所以实际电压比计算值要低。Pspice仿真在占空比k从0.1到0.9（Ton=2～19μs）,k每隔0.1做一次仿真，仿真结果与理论分析和计算完全一致。在此限于篇幅关系，仅把k=0.6；R=300Ω仿真所得到的部分波形显示在图18上。

图18k=0.6;R=300Ω仿真所得到的部分波形图

7讨论

7.1与输出电压VO相对应的导通占空比k

对负输出罗氏三举变换器来说，导通占空比k在0如果k是接近于1的数值，理想输出电压VO的绝对值应是很大的数值。但由于寄生成分的影响，输出电压VO的绝对值会很快下跌。最终，当k=1时，VO=0，并非无穷大。因为k=1表示开关k始终闭合从没有打开，VI为直流，电感L11对直流的感抗为零，所以在这情况下，将会发生电流iL11趋向无穷大的事故。建议导通占空比k的数值区间是：

0k0.95

7.2开关频率f

在本文中，开关重复频率选择f=50kHz做实验，以验证负输出罗氏三举变换器的先进性。在这情况下，输出电压的纹波非常小，其波形显示在图12—图17上。事实上开关频率f可以在10kHz到200kHz之间选择。通常，频率越高，电压和电流的纹波就越小。一般，DC/DC变换器采用更高的工作频率工作时，就要求PWM开关脉冲要有很短的上升和下降时间，同时还要求所采用的所有半导体器件即功率开关管和快速二极管的响应时间要快。

7.3电容C10和C11

一般大电容量的电容，其结构多数是卷绕线式，这种结构的等效电路是分布电感、漏电阻和电容的串联电路。在低频工作时，分布电感的感抗和漏电阻阻值都很小，其电抗主要为容抗。但工作频率提高后，分布电感的感抗也就随之升高，当分布电感的感抗大于电容的容抗时，电容就不起电容的作用，而变成一个电感。在此电路中，由于工作频率较高，所以电容C10和C11不能用卷绕式电容，而应采用特殊结构的无分布电感的高频无感电容。

8结论

负输出罗氏变换器是一种已开发的新型DC/DC升压型变换器系列，是在DC/DC变换器中应用电压举升技术的又一设计实例，能完成从正到负的DC/DC升压变换。本文通过分析、稳定性评估、测试和仿真对这种变换器进行了实用性剖析，论述结果充分表明：这种变换器确实具备结构简易价廉、纹波小、稳定性好、效率高、功率密度高等优点，实用性好、应用价值大，尤其是应用于高电压变换的项目上。