1. 基本拓扑

D1 为续流二极管,C 为输出滤波电容,R 为负载电阻。

异步 Boost 电路的基本拓扑

根据 Q2 的开关状态,将 Boost 电路分为两种工作状态。以下分析采用理想器件,忽略开关管与二极管的压降,并假设电路处于稳态、连续导通模式(CCM)。图中的 Vin、Vo 分别对应下文的 $V_{\mathrm{in}}$、$V_o$。

1.1 工作模式 1:Q2 导通,电感储能

Q2 导通时,MOSFET 近似为导线,此时 D1 截止,输出电容 C 向负载供电。

Q2 导通时的电感储能回路

此时,输入电源向电感储能,电感两端的电压为:

$$
V_{\mathrm{in}}=L\frac{\mathrm{d}i_L}{\mathrm{d}t}
$$

因此,电感电流 $i_L$ 线性上升。

1.2 工作模式 2:Q2 关断,电感释放能量

Q2 关断后,由于电感电流不能突变,D1 导通,电感电流经 D1 流向输出侧。

Q2 关断时的二极管续流回路

此时,电感释放能量,电感两端的电压为:

$$
V_{\mathrm{in}}-V_o=L\frac{\mathrm{d}i_L}{\mathrm{d}t}
$$

输入电源与电感共同向输出侧供能,既向负载供电,也补充电容在上一阶段释放的能量。由于 $V_o>V_{\mathrm{in}}$,电感电流线性下降。

工作波形如下:

异步 Boost 的驱动、电感电流与二极管电流波形

设 Q2 的导通占空比为 $D$,开关周期为 $T_s$,则导通时间为 $DT_s$,关断时间为 $(1-D)T_s$。根据电感的伏秒平衡:

$$
D V_{\mathrm{in}}+(1-D)(V_{\mathrm{in}}-V_o)=0
$$

因此,理想稳态、连续导通模式下,Boost 的输入输出电压与占空比满足:

$$
\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{1-D},\qquad 0<D<1
$$

1.3 同步整流 Boost 电路

D1 的正向压降会产生导通损耗。同步整流使用导通电阻较低的 MOSFET 替代 D1,以降低这一部分损耗。

使用 Q1 替代二极管的同步整流 Boost 电路

同步整流的工作波形如下:

同步 Boost 的两路驱动、电感电流与同步管电流波形

直接采用同步 Boost 电路进行仿真,模型如下:

同步 Boost 的 Simulink 仿真模型

仿真波形如下:

同步 Boost 的开关电压与电流仿真波形

输出电压与电流波形如下:

同步 Boost 的输出电压与输出电流波形