周作輝 方益

摘? 要：常規(guī)的充電器一般是用從AC電路變成DC電路，然后由DC電路進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換得來(lái)，一般有兩種拓?fù)洌阂环N是Boost電路或者Buck電路，直接通過(guò)電感外加二極管進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，這種方式不帶隔離;一種是帶隔離變壓器的轉(zhuǎn)化器，一般是通過(guò)反激電路或者正激電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般設(shè)計(jì)人員都會(huì)熟悉地應(yīng)用到這兩種方式，但在如今越來(lái)越要求體積小的場(chǎng)合下，上述兩種設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)出的充電器都過(guò)于笨重，占用體積過(guò)大而使得在特定的機(jī)器結(jié)構(gòu)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本文在這里提出一種新的實(shí)現(xiàn)方案，可以在盡量小的空間中，特別是在UPS中，在本就存在的雙升Boost電路的基礎(chǔ)上，集成一種充電器的方案。

關(guān)鍵詞：雙升Boost電路;AC電路;DC電路

中圖分類號(hào)：TM910.6;TM46? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）15-0027-03

Integrated Dual Boost Circuit Charger Design

ZHOU Zuohui，F(xiàn)ANG Yi

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：The general charger is generally used from AC circuit to DC circuit，and then the DC circuit for further conversion，there are two topologies：one is Boost circuit or Buck circuit，directly through the inductor diode voltage conversion，this way without isolation;One is the converter with isolation transformer，generally through the back circuit or forward circuit to achieve. Both of these methods are familiar to designers，but in today’s increasingly small-size environment，both of these charger designs are too bulky and take up too much space to be implemented in specific machine structures. In this paper，a new implementation scheme is proposed to integrate a charger scheme in a small space，especially in UPS，on the basis of the existing dual Boost circuit，a scheme of integrating a charger is proposed..

Keywords：dual Boost circuit;AC circuit;DC circuit

0? 引? 言

在常規(guī)的UPS或者充電系統(tǒng)電源中，在自帶PFC功能的雙升Boost電路中，可以充分利用Boost電路原本就存在的電感器、BUS電容，還有額外增加部分電路來(lái)完成一種充電器的設(shè)計(jì)。本電路需要增加多兩個(gè)重要的輔助二極管、兩個(gè)MOS管或者IGBT等功率器件來(lái)完成充電功能，此外還需要一些保護(hù)電路來(lái)保證充電電路的完整。具體描述為：一種電路（如圖1所示）轉(zhuǎn)化器耦合至AC/DC轉(zhuǎn)換器，一個(gè)備用電池端，第一、第二電容元器件，第一、第二電感元器件（PFC自帶）。該電路轉(zhuǎn)化器可以配置為：在該電路的工作組合下，在AC電源轉(zhuǎn)化為DC正電壓的工作期間，可以通過(guò)第一電感元器件，將AC電源轉(zhuǎn)化成DC正電壓的同時(shí)[1]，通過(guò)第二電感元器件利用存儲(chǔ)在第二電容器中負(fù)的DC電壓為備用電源提供充電電壓。同樣在本電路的操作下，即AC電源通過(guò)第二電感元器件轉(zhuǎn)化為DC負(fù)電壓的同時(shí)，通過(guò)第一電感元器件使用存儲(chǔ)在第一電容元器件中的DC正電壓來(lái)為備用電源提供充電電壓。在上面所說(shuō)的工作組合下，就可以利用雙升Boost電路來(lái)完成一種集成充電器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1? 集成雙升Boost電路系統(tǒng)組成

該電力轉(zhuǎn)換器必須包括一個(gè)輸入連接器和中性輸入連接點(diǎn)的AC輸入源。該AC電力輸入端被配置為接收的AC輸入電壓源。該電力轉(zhuǎn)化器還包含了一個(gè)被配置為相對(duì)中性輸入連接端的正的DC電壓的第一電容元器件，還有一個(gè)被配置為相對(duì)中性輸入連接端的負(fù)的DC電壓的第二電容元器件，以及具有轉(zhuǎn)化正DC電源的第一電感元器件和轉(zhuǎn)化為負(fù)DC電源的第二電感元器件[2]。該電路轉(zhuǎn)化器還包括了一個(gè)連接著第一端連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)并且無(wú)中心連接點(diǎn)的電池。該電力轉(zhuǎn)化器電路可以耦合到輸入AC電源端。除此之外，該電路轉(zhuǎn)化器還包含了一個(gè)充電器，可以由正的DC電壓或者負(fù)的DC電壓在對(duì)應(yīng)的配合下源源不斷地為上述提及的充電器進(jìn)行充電。

2? 集成雙升Boost電路系統(tǒng)工作原理

（1）在集成了Boost雙升電路的充電器設(shè)計(jì)方案中，首先我們來(lái)分析當(dāng)市電處于正向電壓的時(shí)候：此時(shí)輸入AC電壓為正，在正向的Boost電路中，Q22、Q24、Q26三個(gè)并聯(lián)的IGBT同時(shí)開通，正向電流從AC端流過(guò)第一電感元器件L1，再流過(guò)并聯(lián)的三個(gè)功率器件Q22、Q24、Q26，再流到N點(diǎn)中性連接點(diǎn);在這個(gè)過(guò)程中，AC輸入電壓源被第一電感元器件L1限流，同時(shí)在L1中儲(chǔ)存了能量。

（2）緊接著并聯(lián)的Q22、Q24、Q26同時(shí)關(guān)斷，第一電感元器件L1上的電壓反向，隨后AC輸入電壓加上第一電感元器件L1上的反向電壓同時(shí)向正的DC電壓充電，此時(shí)電流由AC輸入端流向第一電感元器件L1、續(xù)流二極管D33、+BUS電容，再流到N點(diǎn)中性連接點(diǎn)。

（3）同時(shí)在輸入AC電壓源向+DC電壓充電的同時(shí)，充電器開始了充電過(guò)程：Q24MOS管處于PWM開關(guān)斬波狀態(tài)，而位于Q24下端的Q25則在市電的正半周期區(qū)間，一直處于ON開通的狀態(tài);當(dāng)Q24處于ON開通的狀態(tài)時(shí)，AC輸入電壓源經(jīng)過(guò)Q24，再流經(jīng)Q25，再留經(jīng)第二電感元器件L2，再經(jīng)過(guò)輔助的反向續(xù)流二極管D20導(dǎo)通，最終再流到N點(diǎn)中性連接點(diǎn)。在此過(guò)程中，Q23、Q25、Q27一直處于關(guān)斷OFF的狀態(tài)，D35由于兩端電壓反向而一直處于關(guān)斷的狀態(tài)。此時(shí)通過(guò)Q24的導(dǎo)通，AC輸入電壓源不僅對(duì)正半周的第一電感元器件L1進(jìn)行了充電，也對(duì)本來(lái)只負(fù)責(zé)負(fù)半周升壓的第二電感元器件L2進(jìn)行了充電。這個(gè)過(guò)程與常規(guī)的Boost電路不同的地方就在于：常規(guī)的Boost電路只能由輸入電壓源對(duì)第一電感元器件或者第二電感元器件其中一個(gè)充電，但在本集成充電器的設(shè)計(jì)方案中，輸入電壓源可以同時(shí)對(duì)第一電感元器件和第二電感元器件充電，其中一個(gè)電感元器件的功能是實(shí)現(xiàn)升壓功能，向BUS充電;而另一個(gè)電感元器件的充電則可以被利用來(lái)為充電器充電。

（4）隨后當(dāng)Q24關(guān)斷的時(shí)候（如圖2所示），第二電感元器件上的L2兩端電壓反向，表現(xiàn)為左負(fù)右正，隨后電流由L2流向輔助的充電二極管D16、充電電源的正端導(dǎo)通二極管D19、充電電源的正端BAT+輸入端，流過(guò)充電電源的內(nèi)部，再經(jīng)過(guò)充電電源的負(fù)端BAT-流出，然后再經(jīng)過(guò)充電電源的負(fù)端導(dǎo)通二極管D23，經(jīng)過(guò)充電器保護(hù)二極管D22、保護(hù)晶閘管Q27，再通過(guò)一直處于開通狀態(tài)的Q25回到第二電感元器件，完成一個(gè)充電的完整過(guò)程。此時(shí)由于Q24已處于關(guān)斷的狀態(tài)，所以AC輸入電壓源不會(huì)干擾到整個(gè)充電回路的正常工作。

（5）當(dāng)輸入AC電壓為負(fù)壓的時(shí)候，在負(fù)向的Boost電路中，換成了處于下半位置的Q23、Q25、Q27三個(gè)并聯(lián)IGBT同時(shí)開通，負(fù)電流從N點(diǎn)中性連接點(diǎn)，流向Q23、Q25、Q27，再經(jīng)過(guò)第二電感元器件L2，最后路過(guò)整流作用的晶閘管Q20再流回到AC輸入電壓源。在這個(gè)過(guò)程中，第二電感元器件L2發(fā)生限流動(dòng)作，并且同時(shí)儲(chǔ)存了能量。

（6）緊接著剛才處于開通的三個(gè)并聯(lián)IGBT——Q23、Q25、Q27同時(shí)關(guān)斷，第二電感元器件L2兩端電壓發(fā)生了反轉(zhuǎn)，此時(shí)電流從N點(diǎn)中性連接點(diǎn)經(jīng)過(guò)負(fù)的DC電壓源，到負(fù)BUS，再經(jīng)過(guò)負(fù)半周的續(xù)流二極管D35，流過(guò)第二電感元器件L2，經(jīng)過(guò)整流晶閘管Q20回到AC輸入電壓源，完成一個(gè)完整周期的負(fù)BUS充電過(guò)程。

（7）在輸入AC電壓為負(fù)壓的這段時(shí)間區(qū)間中，充電器同時(shí)也在工作：此時(shí)Q24由PWM開關(guān)狀態(tài)變成了一直O(jiān)N的狀態(tài)，而剛才一直處于ON狀態(tài)的Q25 MOS管則變成了PWM斬波開關(guān)管。當(dāng)Q25處于ON開通狀態(tài)的時(shí)候，充電電流從N點(diǎn)中性連接點(diǎn)通過(guò)輔助二極管D18進(jìn)行續(xù)流，然后通過(guò)第一電感元器件L1，再經(jīng)過(guò)Q24、Q25、Q20完成一個(gè)完整的充電回路，此電流對(duì)第一電感元器件L1進(jìn)行儲(chǔ)能。

（8）當(dāng)Q25變成關(guān)斷OFF狀態(tài)的時(shí)候（如圖3所示），此時(shí)第一電感元器件L1兩端電壓反轉(zhuǎn)，第一電感元器件會(huì)將感應(yīng)電壓釋放，對(duì)充電電源進(jìn)行充電，具體回路如下：L1此時(shí)兩端電壓反轉(zhuǎn)變成了左正右負(fù)，充電電流流過(guò)Q24、晶閘管Q26、二極管D21、保護(hù)二極管D19、充電電源BAT+、充電電源內(nèi)部、充電電源BAT-，再流到保護(hù)二極管D23、續(xù)流二極管D17完成一次充電過(guò)程。

3? 結(jié)? 論

本文給出了一種在雙升Boost電路的基礎(chǔ)上集成充電器的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)方式新穎實(shí)用，具有很高的可操作性。這不僅僅是一種新的充電器設(shè)計(jì)思路，也是一種更加符合當(dāng)今要求體積越來(lái)越小的機(jī)器設(shè)計(jì)方案，在成本上有巨大的優(yōu)勢(shì)，充電可靠性也非常高，值得有興趣的工程師實(shí)踐設(shè)計(jì)與運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Colonel William T McLyman.Transformer and Inductor Design Handbook [M].CRC Press，2011.

[2] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù) [M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：周作輝（1991.04-），男，漢族，廣東汕頭人，本科，研發(fā)工程師，研究方向：大功率電源開發(fā)與設(shè)計(jì)。