负输出罗氏变换器实用性剖析

负输出罗氏变换器系列能完成从正到负的DC/DC升压变换。文中以负输出罗氏三举变换器为例进行了分析、稳定性评估、测试和仿真，并给出了设计实例。论述结果充分证明：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。

关键词：

电压举升技术自举变换器三举变换器PWM技术。

PracticabilityAnatomyforNegativeOutputLuo－Converters

Abstract:

ThenegativeOutputLuo－convertersperformpositive－to－negativeDC/DCstep－upvoltageconversion.Thispapergivesoutanalysis,stabilityevaluation,testandsimulationofthenegative－output“triple－liftLuo－converter,onekindofsuchonverters,andillustrateswithdesignexamples.TheresultsverifiedthatthenegativeOutputLuo－convertersreallyhavetheadvantagessuchascheaptopologyinasimplestructure,smallripples,goodstability,highefficiencyandpowerdensity,andareofgreatapplicationvalue.

Keywords：Voltage－lifttechniqueSelf－liftconverterTriple－liftconverterPWMtechnique.

1引言

DC/DC变换器广泛应用于计算机硬件和工业应用上[1－5]，如计算机的外设电源、汽车辅助电源、伺服马达驱动器和医疗设备的电源。近年来DC/DC变换器技术有了很大发展，重点是研究高效、高功率密度和简易价廉的结构，例如：已开发的Cuk变换器[6－10]，罗氏变换器[1－3]和SEPIC变换器[11－13]。

电压举升技术已成功地应用于DC/DC变换器的设计。已开发的负输出罗氏三举变换器是一新型的DC/DC升压电路，能完成从正到负的DC/DC升压变换，其原理电路图如图1所示。它是从罗氏复举变换器[3]推导出来的，由17个无源元器件组成，分别为：一个固态开关S，四只电感L11、L12、L13和L14，五只电容C10、C11、C12、C13和C14，七只二极管D10、D11、D12、D13、D21、D22和D23。固态开关S用的是P沟道功率MOSFET器件，由具有脉宽调制(PWM)功能的脉冲信号串驱动电路所控制。开关重复周期为T=1/f,导通占空比为k，因此每周期中开关闭合时间为kT,开关关断时间为(1－k)T。

图1负输出罗氏三举变换器的原理电路图

电容C12、C13和C14的作用是把电容C11的电压VC11举升到电源电压的三倍。接在三只电容C12、C13和C14之间的电感L13和L14的作用像梯子的活动接头一样把电容C11上的电压VC11抬高。

在本文中，所有电压和电流的方向均标在图上，文中所有描述和计算全用的是绝对值。对任一分量X，其电流和电压的瞬时值表示为ix和vx,或ix(t)和vx(t)；其电流和电压的平均值表示为Ix和Vx；其电流和电压的峰值表示为IXM和VXM。假设所有电容的容量足够大,则在讨论平均值时，电容两端的纹波电压都可以忽略。因为电感L11、L12、L13和L14上电压的平均值为零，所以在连续模式时，电容C11上电压等于输出电压，即VC11=VC10=V0。负输出罗氏三举变换器可以分别工作在连续模式或非连续模式，连续模式的等效电路图如图2(a)、(b)所示，非连续模式的等效电路图如图2(c)所示。连续模式和非连续模式工作时的理想电流和电压波形描绘在图3和图4上。其中，Son表示开关S闭合，Soff表示开关S关断。

图2负输出罗氏三举变换器的等效电路图

（a）馈电状态开关S闭合二极管D10截止

（b）续流状态开关S关断二极管D10导通

（c）保持状态(仅适用于非连续模式)开关S

关断二极管D10截止

在图2(a)中，开关S闭合，二极管D10截止，电压vL11、vL13和vL14都等于输入电压VI。电流iL11、iL13和iL14分别以斜率VI/L11、VI/L13和VI/L14线性增加。

负输出罗氏变换器实用性剖析

电流iD21等于(ic12＋iL11),电流iD22等于(ic13＋iL13),电流iD23等于(ic14＋iL14),它们是一指数函数δ（t）。电流iD11等于(ic12＋iL13),电流iD12等于(ic13＋iL14)，也是一指数函数δ（t）。电流iD13等于ic14,同样是一指数函数δ′（t）。输入电流i1=iD21＋iD22＋iD23。通常有L13=L14=L11,C12=C13=C14和iC12=iC13=iC14=δ′（t）;iL11(t)=iL13(t)=iL14(t)，所以在开关闭合期间，输入电流iI(t)=iL11(t)＋iL13(t)＋iL14(t)＋3δ′（t）。开关在接通电源瞬间，函数δ′（t）的数值很大，但在稳态时，因为电压vc12、vc13和vc14都和输入电压VI相接近，所以此时函数δ′（t）的值很小。电流iD11、iD12、iD21、iD22、iD23的理想波形图完全相同，故在图3中仅画出电流iD11的理想波形图。电感L11、L13、L14上的理想电压波形图也完全相同，故在图4中仅画出电压vL11的理想波形图。输出回路中的C11－L12－C10组成Π”型滤波器。电感L11、L13、L14在开关闭合期间从电源吸收能量，而在开关关断期间传送所贮存的能量给电容C11、C10和负载R。电感L12保持输出电流的连续和电容C11一起向负载R传送能量，即ic11－on=iL12。电容C11上的能量在开关闭合期间释放给负载，因此如果VC11电压高，则对应的输出电压VO的绝对值也高。电容C11上电压vc11和电感L11、L13、L14的电流iL11(t)=iL13(t)=iL14(t)与L12的电流iL12的理想波形图如图5所示。

在图2(b)中，开关S关断,二极管D10导通,在此情况下电源电流iI=0。电感电流iL通过续流二极管D10、电容C12、C13、C14，电感L11、L13和L14向电容C11充电，电流iL12增加。电感L11、L13、L14通过电感L12传输所贮存的能量给电容C10和负载R，即iL=iL11－off=iL13－off=iL14－off=iC12－off=iC13－off=iC14－off=iC11－off＋iL12－off，从而电流iL减小。由于电感电压vL11－off、vL13－off和vL14－off都等于kVI/(1－k)，所以电流iL11－off、iL13－off和iL14－off也分别以斜率kVI/(1－k)L11、kVI/(1－k)L13和kVI/(1－k)L14线性减小。电流－iC12－off、－iC13－off、－iC14－off和iD10都等于iL11－off，所以也以斜率kVI/(1－k)L11减小。如果流过二极管D10的下降电流iD10在开关再次转向闭合时没有下降到零,则电路工作在图2(a)、(b)所示的连续工作模式状态，相应的波形如图3(a)、图4(a)和图5所示。

图3负输出罗氏三举变换器理想的电流和电压波形图

(i)VI/L11

(ii)kVI/(1－k)L11

(iii)3[VI/L11＋δ'(t)]

(iV))kVI/(1－k)L11

(v)VI/L11＋δ'(t)

(a)连续模式

(b)非连续模式

如果流过二极管D10的下降电流iD10在开关再次转向闭合前已下降到零,则电路工作在图2(c)所示的非连续模式工作状态，相应的波形如图3(b)和图4(b)所示。

图4负输出罗氏三举变换器理想的电压波形图
(a)连续模式(b)非连续模式

负输出罗氏三举变换器的分析是在下列假设下进行的：

(1)负输出罗氏三举变换器的所有元器件都是理想的；

(2)所有电容的容量足够大。因此，电容上电压是一恒定值，并等于VO或VI。在此假设下，在图2所示的等效电路中，电容C10和C11可用电压源VO来代替，电容C12、C13和C14可用电压源VI来代替。

2连续工作模式的稳态分析

2．1电流和电压的平均值

计算过程省略。

连续模式时电压传输增益M为:

M=VO/VI=3/(1－k)(1)

M对k的关系曲线如图6所示，可见M随k的增加而增大。

图6电压传输增益M对k的关系曲线