浅谈直流升压电路的原理与应用摘 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來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，直流升压技术己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、SEPTC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TGBT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,结合电路理论的基木知识, 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耍求，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扌舌“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”及由这些基木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一一脉冲变压 器升压到预定电压值一一脉冲幣流获得高压直流电［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其工作原理为：(1)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 耍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、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。
同吋，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、数码相机等电子产品的应用电路中，通常需耍通过升压电路 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)，提升系统的总电压來满足 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、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⑺光伏发电系统主耍包括太阳能电池板、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，耍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治疗仪器（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冃前光电倍增管的高压电源釆用直流 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 Vo其主耍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耍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，其木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，具冇很广泛的应用 在、数码相机等电子产品的应用电路中，通常需耍通过升压电路来驱 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［1］ 、韩彬，景占荣，高田.BOOST电路的PSpice仿真分析［J］•微 型电脑应用，2006, 22 (1)： 11-12.［2］ 、吴建进，魏学业，袁磊.一种推挽式直流升压电路的设计［J］・ 电气自动化，2011, 33 (2)： 54-56.［3］ 、马吉祺.DC-DC储能变换器设计及研究［D］.武汉理工大学， 2012.［4］ 、Abraham I. Pressman著，王志强译•开关电源设计［M］・北京:电 子工业出版社，2005.［5］ 、王学梅，张波，丘东元.DC-DC变换器主要技术发展综述［J］・电源世界，2008 (5)： 21-24.［6］ 、张仁鹏，孙以泽，孟?C,等.微型太阳能光伏发电系统的两种直流升压电路［J］.机械设计与制造，2013 (11)： 40-43.［7］ 、陈亮，谭伟民.新型LED太阳能电池直流升压电路的研究［J］. 上海应用技术学院学报：自然科学版，2007, 7 (2)： 154-156.［8］ 、胡雪峰，龚春英.适用于光伏/燃料电池发电的组合式直流升压变换器［〕］•电机工程学报，2012, 32 (15)： 8-15.［9］ 、潘保青，郝晓剑，赵冬娥.PPM量级纹波系数的光电倍增管恒流。