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隔离型Boost电路

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boy59
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  1. 2017-5-9 11:51:16
    诚博国际有三大基本拓扑BuckBoostBuck-Boost,其中Buck的隔离型为正激电路,Buck-Boost的隔离型为反激电路,唯独Boost拓扑的隔离型电路不常见。Boost是升压型拓扑输入电流是连续的非常适合作为输入级比如用作连续模式的PFC电路,缺点是只能升压(输出>=输入),像常见的PFC应用一般输出电压是380-420V,如果应用中需要的是低压输出那么只能再接入降压电路。如果有隔离型Boost电路通过变压器匝比调节,低压应用就容易解决了。
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zhaoyg0825
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  1. 2017-5-9 12:11:15
 
来个图啊
Coming.Lu
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  1. 2017-5-9 12:42:17
 
SEPIC 也可以。
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  1. 2017-5-9 13:23:16
 
Sepic电路是一种实现方法,如下面两种电路

                        图1-1 隔离型Sepic电路
这种电路有什么缺点?
boy59
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  1. 2017-5-9 14:02:43
 
图1-1(b) 电容C26的这种接法使电磁隔离变为了电容隔离,如果Vout就是最终输出端那么要采用安规电容了。
在效率上Sepic电路不及Boost电路,隔离的Sepic效率也不会比隔离的Boost电路高。
Sepic电路是靠电容传递能量的,目前的电容性能还及变压器。
在环路控制上Sepic电路要比Boost电路难,不过PFC应用对环路要求不高,可能问题不大。
隔离型Sepic电路要处理变压器的漏感问题,隔离型Boost电路可能没有漏感问题。
······
Coming.Lu
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  1. 2017-5-9 14:26:03
 
其实,有个电流馈电推挽(也可以把推挽换成全桥),这个更像是隔离的boost。
boy59
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  1. 2017-5-9 14:35:18
 
其实,想探讨的就是半个电流馈电推挽(对称驱动电流型推挽/全桥变换器),特性同Boost一模一样,只多了个变压器隔离。
Coming.Lu
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  1. 2017-5-9 14:45:11
 
那个电流馈电,我是不玩了,玩不转。
10+年前,被它玩死了。
boy59
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  1. 2017-5-9 15:02:17
 
是不是没有专用芯片、参考资料少啊?
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  1. 2017-5-9 16:13:12
 
不是芯片问题,当时是MCU做的。
是一些不理想参数的问题,分布参数之类。
boy59
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  1. 2017-5-9 16:49:34
 
貌似问题还挺多,后面再一点点解决。
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  1. 2017-5-9 16:58:50
 
你可以试试看啊。
也许你能想到好的解决办法呢。
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  1. 2017-5-9 17:06:57
 
如果有没发现或没想到的问题还有劳版主提点一下。
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  1. 2017-5-9 17:22:56
 
用了,遇到问题再上来讨论呗。
很多问题是要做过了,才能知道的。
就像我之前看书,发现这个拓朴真是好,做了才知道好多问题不好解决。
iceman_sg
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  1. 2017-6-12 10:25:23
  2. 倒数2
 
这个拓扑在调试时会有哪些问题呢?
TI官方demo
有个2KW的双向DCDC boost部分就是用的这个
编号tida-00951
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  1. 2017-6-12 10:29:50
  2. 倒数1
 
自己试试吧,讲多没用。
boy59
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  1. 2017-5-9 17:44:45
 
这种隔离型Boost电路的原理图如下:
                    图1-2  电流型推挽变换器
常见的推挽电路电感在次级属电压型推挽电路,图1-2的电路是电压型推挽的对偶电路既电流型推挽电路。电压型推挽电路的占空比是0-50%,根据对偶性电流型推挽的占空比是50%-100%。
可能有人会觉的用两颗MOS管增加成本,这种隔离型的Boost电路要么选两颗MOS管要么选一颗MOS管加一个电容其它的好像没办法实现了。用两颗MOS管来分担一颗MOS管的功率成本上不一定会增加,变压器同理。

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  1. 2017-5-9 19:00:20
 
对这个隔离Boost电路进行DC/DC诚博国际,结果如下(匝比n=1)
                         图1-3 直流增益曲线
图1-3的诚博国际结果可以推出这种隔离型Boost电路的直流增益为Uo=0.5/(1-D)*n*Uin(n=Np/Nc)。当匝比n=1时这种隔离Boost的增益曲线是非隔离的1/2。
这种电路采用固定周期的PWM控制比较容易实现,只要两个MOS管交错导通就可以。在PFC应用中最理想的是采用PFM-PWM变频控制。对于不停变化的周期,如何控制两路信号的占空比、如何控制两路信号的交错时间是个需要解决的问题。不知道是否有专用芯片,可以先试着设计一个电路让普通的单通道PFM-PWM信号转换为交错的双通道信号输出。

boy59
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  1. 2017-5-10 19:43:41
 
这个隔离Boost电路可由Boost+Buck演变而来,见下图
                              图1-4  Boost+Buck及隔离Boost电路
在两级电路(a)中,左边的电感、MOS开关和二极管构成Boost电路,右边的电路是一个占空比为50%的“正激”电路实现“理想变压器”的功能。
图(b)是把图(a)的两级合二为一,从图中看占空比信号也被合二为一变成了两路占空比始终大于50%的信号。
图(b)的这种隔离Boost电路存在两个问题,一个是漏感的问题一个是磁偏的问题。图(a)的电路如果在初级的Boost电路后面加一个小电容(变压器采用双线并绕)就可以实现漏感的无损吸收,而图(b)的电路却并不那么容易,所以要达到高的性能这种电路还需再改进一下。

caichengchao
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  1. 2017-5-10 09:04:22
 
了解了
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  1. 2017-5-10 20:13:16
 
基本拓扑只有BuckBoost两个,Buck-Boost可归结为Boost,因此反激也归结为Boost,拓扑树分类是完整的,没有什么遗漏。详情可见此贴:



boy59
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  1. 2017-5-10 21:41:44
 
道生一,一生二,二生三,三生万物。您是二生三的境界,我想我等水平只要明白三生万物就够用了。
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  1. 2017-5-11 15:28:16
 
“Buck-Boost可归结为Boost” - 此话怎讲 ?归结的法则为何?这法则具普遍性乎?

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  1. 2017-5-11 20:40:50
 
归结的法则就是可以用同一个数学表达式表达的所有事物。这法则具普遍性。
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  1. 2017-5-12 12:13:50
 
有点好奇,李版演示一下?
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  1. 2017-5-12 14:43:54
 
爱因斯坦质能公式所表达的所有事物,归结为物质世界,否则,归结为暗物质,暗能量,或者精神世界。
greendot
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  1. 2017-5-12 16:01:48
 
我意思是想知道,经过什么推理手段,或你说的数学表达式,得到Buck-Boost可归结为Boost的结论?
nc965
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  1. 2017-5-12 17:40:13
 
buck-boost输出电压,简单等于boost输出电压减去输入电压,
意思是,减去的这个电压如果是0,它就是boost。减去的这个电压也可能是其它电压,它还是boost。如果减去的碰巧等于输入电压,你虽然可以叫它buck-boost,但它实际上还是boost。

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  1. 2017-5-12 18:55:51
 
1. 这个加减输入电压的"法则",能否用在别处?
2. DCM工况时,看看你的结论是否成立?
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  1. 2017-5-12 19:03:15
 
任何拓扑都可以在输出叠加一个电压源,不改变拓扑,与模式无关。也不会因为叠加的电压源是个特殊的电压源而变成另外一个拓扑。
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  1. 2017-5-12 19:14:21
 
李版真是择善而固执,佩服。
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  1. 2017-5-13 07:57:05
 
郭工都说你精于计算,这种事搞点模型自己验算一下应该就说明问题了,凭主观感觉去否定或肯定某个意见不是你的风格哈。
或者,给你个确凿的证据,只需简单验算一下即可:


这两个拓扑都是组合拓扑,前者是两个Boost叠加,后者可看成是一个Boost与一个buck-boost叠加。但这两个拓扑是完全等效的,他们是一种拓扑(对称交联boost)的两种等效接法
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  1. 2017-5-13 12:39:51
 
把电路换成比较习惯的画法

左边的电路是两个Boost串联电路,右边一个Boost和一个Buck-Boost电路的串联电路,这两个电路如果占空比相同的话输出电压好像是不一样的,这个等效该如何解读?
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  1. 2017-5-13 13:28:52
 
一样不一样,计算一下才能确定,凭感觉判断又可能出错。这个电路讨论过多次了,工程上也有应用。
greendot
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  1. 2017-5-13 12:42:26
 
我都服了,不如李版开个新帖,等各路大神讨论讨论 ?
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  1. 2017-5-14 09:48:53
 
与楼主的主题相扣,提出拓扑族的完整性,隔离拓扑也可分为boost和buck,大部头的书一本一本的出,都是这样子的,实在没有必要讨论。还是不干扰楼主继续讨论为好。
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  1. 2017-5-15 22:27:39
 
只是觉得Buck-boost可以归结为Boost这个重要的结论,不应隐没在个别的话题帖里,应该给予重视,有个专属的帖子。
nc965
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  1. 2017-5-15 22:44:43
 
这也不算啥重要结论,buck-boost可以归结为boost这句话的意思是,也可以不归结。可以就是两可的意思。
greendot
  1. greendot
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  1. 2017-5-16 11:23:15
 
我是持反对意见的,就不知其他坛友的看法,不过也许没人有兴趣去讨论,也罢。
至于34楼的两个线路,简单推导可知,外观一样,内里不同,例如上下路功率不对称,很难说是等效。
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  1. 2017-5-16 12:20:28
 
在19楼那个老帖里,你是持支持意见的。但是这个事不重要,重要的是工程上的应用。除了反激这样的拓扑勉强可以与Buck-boost有所对应之外,隔离拓扑按BOOST和BUCK分类足矣。楼主想把隔离拓扑也分为三类,说是其中隔离Boost有缺失,有点费力不讨好的意味,故此提醒。
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  1. 2017-5-11 18:47:26
 
如果把图1-4(b)中的一个MOS管换成二极管则初级变成了熟悉的带复位绕组正激结构
                      图1-5 初级为“绕组复位正激”电路
原设想初级采用双线并绕漏感不是问题,实际情况由于输入多了个PFC电感,漏感能量无法回到Uin中(电路中一般不允许两个电感直接串联)在MOS管会产生很大的电压应力。如果加RCD吸收那么这个电路就一点优势都没有还不如采用两级结构的性能高,这种电路估计只能等到将来有一天出现了无漏感变压器后才能得到很好的应用。

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  1. 2017-5-11 19:04:35
 
  在两级电路中带变压器隔离的一般都是放在后级,比如PFC+正激,比如图1-4(a),如果把两级互换位置既隔离的在前PFC电路在后,这样输入级就不存在电感而变压器的漏感能量可以回到Uin中去。
  其实变换之后电路并没什么优势,由于MOS开关管分列变压器两侧也没办法合二为一,不过如果把整流桥融入到变换后的电路中是否可以提升电路的性能?电路见下图。
                         图1-6  整流、变压一体电路

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  1. 2017-5-12 19:46:57
 
图1-6的电路按正负半周可分解为两部分,
                                            图1-7 正负半周等效图
如图1-7,当输入电压为正半周时上边的两颗MOS管一直导通,省略掉MOS管得到图(a)的等效结果。当输入电压为负半周时下边的两颗MOS管一直导通,省略掉MOS管后得到图(b)的等效结果。图(a)和图(b)是完全相同的两个电路。

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  1. 2017-5-12 20:10:02
 
图1-7中的电路转换成比较熟悉的等效电路画法如下:
                          图1-8 全桥电路
图1-6的整流、变压一体电路相当于是由上面的两个全桥电路串联构成的。
图1-8的这种全桥电路通常是采用定频的PWM模式控制,诚博国际的时候发现如果采用变频控制会得到非常不错的软开关特性——从轻载到满载全程软开关。某些特性同LLC电路很像,不过电流波形是锯齿波,不仅零电压开还零电压关比LLC更软。

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  1. 2017-5-13 19:29:30
 
电路中的波形情况如下:
                              
                                       图2-1-1 全桥软开关运行波形
关断时刻的局部放大图如下:
                                       图2-1-2 零电压关断波形
全桥软开关是利用MOS管的寄生电容与漏感的准谐振来实现软开关,与LLC相似之处是零电压开启,输出电流为漏感电流减去励磁电感电流,都为变频控制。不同之处是LLC电路的谐振电感串在电路中励磁电感可以发挥作用电路中有两个谐振频率,波形为正弦波。
图2-1-1显示这种电路是零电压开启的(开启前电流反向)关断时也接近零电压关断见图2-1-2。这种电路的最大优点是全程软开关,无论输入电压、输出负载如何变化始终保持软开关,最大的缺点是重载低频频轻载高频应当是属于串联准谐振软开关类。

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  1. 2017-5-13 19:47:23
 
如果在输出侧加一个滤波电感(正统的全桥电路)则可以把电路中的三角波变为梯形波,从而降低峰值损耗。
                              
                                        图2-1-3 “准谐振”梯形波
图2-1-3和图2-1-1是相同的输出电压、功率,实际电路中前者的效率要更高一些。

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  1. 2017-5-21 12:18:28
 
电路还是全桥电路只是改变了控制方式(变频控制)就可实现全程软开关,变频全桥的直流特性曲线如下:
                              
                               图2-2-1 变频全桥的DC特性
这个同LLC电路的的ZVS区域1比较接近,见下图
                              图2-2-2 LLC的DC特性
LLC电路的ZVS区不是零关断有关断损耗,变频全桥是零关断效率应当要比LLC电路高。同LLC电路一样,变频全桥不适合宽输入 、宽负载变化的应用场合,否则会产生极宽的频率变化范围。

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  1. 2017-5-21 12:47:44
 
理想中的软开关应当是全程软开关、如硬开关一般易于控制、频率变化范围要小,不过目前为止还未见过能达到上述要求的软开关。
全谐振太软不可控,准谐振软硬结合不过不能全程软开关(否则会产生较大的应力),上面提到的变频全桥软开关(属串联谐振)频率变化的范围太宽。
要实现理想软开关有一种方法是采用可变谐振电感或谐振电容(电可控),不同的工况可调节相应的谐振参数以实现最佳工作状态。

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  1. 2017-5-21 14:16:35
 
不知道市面上是否有适合的电控可变电感和可变电容,现有的条件有源钳位软开关属可变电容类型不过只能实现一个容值可变,可变电感可采用饱和电感方案,见下图
                              
                                  图2-3 饱和电感软开关
如上图2-3轻载时三个电感串联,谐振频率低、开关频率低有益于降低轻载损耗,中载时电流大于0.2A,2mH的电感饱和电路中电感量变为800uH+100uH,重载时800uH电感饱和电路中的感量变为100uH。现在的饱和电感效率好像还比较低,这个方案或许要等到将来才能实现。
目前最可行的方案是采用多路并联的方式,比如将相对比较简单的QR模式反激分为三路并联,一路负责轻载、二路负责中载、三路负责重载。
满载时3路都工作不会产生冗余增加成本,轻载时只让一路工作(一路感量较大)因采用小功率MOS管所以可降低驱动损耗提高轻载效率,又因电路分为三部分所以可以使电路始终工作在第一谷底导通状态而不产生过宽的频率变化范围。电路如下:

                         图2-4 三路并联QR反激电路

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  1. 2017-5-22 11:49:25
 
下面的是两路并联QR反激电路从轻载到满载的波形:
                              
                               图2-5 两路并联QR反激轻载到满载变化波形
功率与频率的关系表如下:
                             表2-5-1 功率与两路开关频率的关系表
通过两路并联组合上述QR模式软开关的频率范围在宽负载条件下可控制在22KHz-94KHz之间。如果并联的路数多则频率变化范围更小。

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  1. 2017-5-22 12:35:28
 
图2-5 波形展开如下:
                              
                                图2-6 双路QR轻载到满载波形展开图

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  1. 2017-5-22 13:06:38
 
双路QR从满载到轻载的波形如下:
                              
                                 图2-7 双路QR满载到轻载波形
这种多路并联软开关的控制电路并不复杂至少比NCP1380芯片要简单,前面提到要降低频率变化范围需增加并联路数(并联的每一路参数不同),无限多路并联并不现实,有一种方法可采用二进制数字模式来实现数字组合式软开关电路。上面的双路并联QR反激也是两位数字组合式软开关电路,共有三种组合模式,如果采用三路并联则可实现七种组合模式,这样就可以用数字组合来替换频率变化。

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  1. 2017-5-25 14:33:28
 
言归正传接下来继续去寻找一种理想的隔离型Boost电路,首先分析隔离型的Buck电路(正激)和隔离型的Buck-Boost电路(反激)的实现过程。
                              
                                 图3-1 非隔离到隔离电路的演化
如图3-1所示,正激和反激电路都相当于把非隔离的Buck、Buck-Boost电路的开关管换成了隔离变压器结构(图中虚线方框),隔离型Boost电路是否可以也按照这种方式演化?

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  1. 2017-5-25 15:12:42
 
遗憾的是Boost电路并不能像前两种电路那样去演化,主要是受结构所限Boost电路中储能电容的能量不能通过隔离变压器传递到次级,多增加一个开关可以解决这个问题,见下图。
                              
                                     图3-2 有源钳位隔离Boost电路
图3-2(b)增加一个开关管后(也可看做二极管换成同步整流管)储能电容中的能量就可以通过隔离变压器传递到次级负载上,图(c)跟图(b)完全等效所以换个角度储能电容就变成了钳位电容,之前图1-2隔离Boost电路的漏感问题就可以解决了。
为解决漏感而增加钳位电路后这种电路相对于二级结构就没有什么优势了,所以要换个思路来解决。

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  1. 2017-5-25 15:25:09
 
新的思路是保留开关管不变而是在后面的电路上做文章,比较典型的是Boost-FLYback电路,见下图
                              
                       图3-3 Boost-FLYback电路
这个电路分解开来就是一个Boost电路+一个FLYback电路,二者共用一个MOS开关管。电路的缺点是多了一个二极管D1,漏感的问题依然存在还需增加吸收电路(如RCD)。

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  1. 2017-5-25 15:58:58
 
理想的隔离型Boost电路应当是效率高、元件少、控制简单,这种理想中的拓扑貌似诞生了。

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  1. 2017-5-25 16:38:08
 
这种理想型的拓扑如下:
                              
                          图4-1 带钳位绕组的隔离型Boost电路
图(a)是一个Boost电路和反激电路的组合,因有钳位绕组所以漏感中的能量会被无损吸收,又因初级采用双线并绕漏感不会影响到前级的Boost功能。
图(b)是一个Boost电路和正激电路的组合,同图(a)的区别在于变压器是按正激设计及同名端的位置不同。在图(b)中续流电感为变压器的漏感,因正激等同于隔离的Buck电路所以图(b)也可以看做是隔离Cuk或Sepic电路(解决漏感问题)。

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  1. 2017-5-26 19:44:00
 
搭了个实验电路测试的效果不是很理想,后将电路做了点调整见下图
                              
              图4-2 带钳位绕组隔离Boost -2
图4-2这个电路对漏感的吸收略有改善(变压器的漏感设计的比较大),实测波形如下
              图4-3 隔离Boost-2测试波形
从理论上分析图4-1和图4-2的原理差不多,但实测结果相差很多而且图4-3的结果也没有达到最理想状态,那么这种电路是不可行还是某些关键问题没有被发现?

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  1. 2017-5-27 10:38:44
 
感觉你这样玩,越玩越走样了,哪里还是单纯的Boost?
注意开关一端的结构,一定要是拓扑吸收(能量传递)结构,否则拓扑就可能是谐振拓扑。
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  1. 2017-5-27 11:17:21
 
初级的那个电容就是母线电容,相当于Boost电路的二极管和电容互换了位置。波形中出现的震荡是因为钳位绕组的能量用尽了,稍微调制下参数的结果:

                      图4-3-1 实验波形2
这个电路的吸收功能有起到作用,没加吸收的Vds电压会飙升几倍。实验中也发现二极管不能瞬间正向导体(用的是快恢复二极管)会产生一个小尖峰,另外怀疑是初级双线并绕绕的不够好,初级的两个绕组没有达到“完全耦合”的效果。
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  1. 2017-5-27 11:38:05
 
初级双线并绕绕只是理论上的,实际都绕不好,你要按绕不好考虑问题。
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  1. 2017-5-27 15:49:57
 
将图4-1电路的Boost电感值降低(之前的电感太大功率太小),占空比从10%-60%变化测试的Vds波形如下:
                              
                      图4-4-1 占空比10%
                      图4-4-2 占空比20%
                      图4-4-3 占空比30%
                      图4-4-4 占空比40%
                      图4-4-5 占空比50%
                      图4-4-6 占空比60%
从测试结果看这种电路可以达到对漏感吸收的预期效果,从理论上将这种电路占空比不能超过50%图4-4-6也验证了这一点,如果需要占空比超过50%那么设计时钳位绕组的圈数就不能等于主绕组圈数。

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  1. 2017-6-2 14:18:28
  2. 倒数10
 
boost和buck-boost的区别就是:       boost的  Vout=V电感+Vin,                                                  buck-boost的  Vout=V电感

而隔离变压器只能传递V电感这部分功率,Vin并不能传递过去,所以不可能有boost的隔离型。


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  1. 2017-6-2 15:50:16
  2. 倒数9
 
就图1-2的电路而言当占空比=50%时Vout=Vin,当占空比>50%时Vout=Vin+V电感,换个角度50%占空比的部分为正激直驱,大于50%的部分为电感传递能量。16楼仿的直流增益Uo=0.5/(1-D)*n*Uin(n=Np/Nc)也证明了这种电路是隔离的Boost电路(假设不受漏感影响)。
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  1. 2017-6-4 15:08:39
  2. 倒数8
 
把电路的次级换成桥结构后可将“正、反激电路”合二为一,见下图。
                              
                             图5-1 兼容“正、反激”的隔离Boost电路
改进后的电路可实现更高功率的输出。

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  1. 2017-6-4 15:27:26
  2. 倒数7
 
图5-1这种电路的工作过程如下:
                              
                                    图5-2 工作过程分析
图5-2当开关打开时Boost电感L1储能,电容Uc驱动变压器T1向负载传递能量。
当开关关闭时电感L1中的能量分为两路,一路通过变压器T1直接传递到负载另一路向电容Uc充电,由于初级的双线并绕结构等效为向2个串联Uc电容充电,也因初级双线并绕结构漏感成为滤波电感而得到利用。

boy59
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  1. 2017-6-4 16:10:21
  2. 倒数6
 
电路在控制上可有两种控制方式,一种是50%占空比的的变频控制,另一种是PWM控制模式(或PWM-PFM)。50%占空比的变频控制可以等效为下面的电路:
                              
                                 
                          图5-3 变频模式时的等效电路
当占空比为50%时图5-3和图5-1的电路是完全等效的, 所以也可以通过图5-3的电路来理解图5-1的电路。
图5-1电路的缺点是参数要匹配好不然会发生震荡,MOS管要承受2倍Uin电压跟正激电路特性一样。

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  1. 2017-6-4 16:28:01
  2. 倒数5
 
当采用pwm控制模式时电路也可等效5-3,不过后级的两个MOS管控制方式上略有不同,下面的是图5-1电路实现PFC功能的诚博国际波形。
                              
                                         图5-4  PFC诚博国际波形
同非隔离Boost电路实现的PFC功能一样,输出电压中含有工频纹波。

boy59
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  1. 2017-6-9 15:11:00
  2. 倒数3
 
把图4-1(a)电路中的电容放置低端可以得到另一种完全等效的电路
                              
                              图5-5 电容接地的隔离Boos电路
这种电路对漏感的吸收取决于初级双线并绕的耦合效果,实际用双线并绕、双绞线、利兹线测试过,漏感只能达到0.1%左右(业余水平手工绕制)。另外不知道有没有像漆包线一样规格的同轴电缆线,想试试同轴电缆线的效果。

sony545154
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  1. 2017-6-5 15:07:49
  2. 倒数4
 
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