Boost电路原理分析及其元件参数设计
Boost电路又称为升压斩波电路（Boost Chopper），是一种典型的直流变换电路。这种电路广泛应用于开关电源、直流电机传动、光伏发电系统以及电动汽车的驱动控制等领域。
1 Boost电路原理
图1是Boost电路的原理图，从图中可以看出，该电路由开关管VQ、电感L、输入滤波电容Cs、输出滤波电容C、二极管VD和负载R组成。其中开关管VQ的控制端需要输入驱动信号来控制其导通和截止，工程应用中驱动信号通常采用PWM的方式来实现。
图1 Boost电路拓扑结构图
当控制端的输入信号
为高电平时，此时开关管VQ导通，相当于短路，其等效电路如图2所示。通过电路可以看出，此时输入电压给电感L充电，需要注意这时电感两端电压
的极性为左正右负，并且随着时间的增加，电感上的电流
（即输入电流
）不断增大。此时二极管VD反向截止，相当于断路。而此时的电容C向负载R放电，随着时间的增加，电容C两端的电压
（即输出电压
）在不断减小。
图2 Boost电路VQ导通时等效电路图
当控制端的输入信号为低电平时，此时开关管VQ截止，相当于断路，其等效电路如图3所示。此时电感L两端电压的极性变为右正左负，使得VD导通，电感放电，且随着时间的增加，电感上的电流（即输入电流）不断减小。这时输入电压
和电感L上的电压叠加起来，一起给电容C充电，同时给负载R供电。随着时间的增加，电容C两端的电压（即输出电压）在不断增加。
图3 Boost电路VQ截止时等效电路图
通过给开关管输入PWM控制脉冲，VQ的开关状态不断变化，重复着上述过程，最终使得电路的输出电压高于输入电压。Boost电路的工作波形如图4所示。
图4 Boost电路工作波形图
2 Boost电路的工作模式
Boost电路根据电感上的电流是否连续分为三种工作模式，分别是连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）、临界导通模式（Boundary Conduction Mode，BCM）和非连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。为了深入研究Boost电路这三种工作模式的原理，先介绍两个概念：纹波电流和电流平均值。
（1）输入信号的纹波电流
纹波电流通常用峰峰值来表示，即
（有时纹波电流也可以用峰峰值的一半来表示，即![\bigtriangleup i_{L}=\tfrac{1}{2}[I_{max}-I_{min}]](http://img.e-com-net.com/image/info8/4d114441aef54b4ea91b22695c0dbb8d.png)
）
（2）波动电流的平均值
注： 式中
表示在周期内输入电流与t轴围成图象的面积。（图5 红色线围成的区域）
2.1 CCM连续导通模式
图5 Boost电路CCM模式下电感电流波形图
通过图5可以看出，Boost电路工作在CCM模式时。此时一个周期内的由一个矩形和一个三角形组成，即：
CCM模式下纹波电流为：
CCM模式下波动电流的平均值为：
![I_{L}=\frac{S_{L}}{T_{S}}=\frac{1}{2}[I_{max}-I_{min}]+I_{min}=\frac{1}{2}\bigtriangleup i_{L}+I_{min}](http://img.e-com-net.com/image/info8/a7b63f9527c84eb0b09ea34d5a67bd78.png)
上式可以说明到的距离和到的距离相等，即。若想让Boost电路工作在CCM模式，须保证，也就是要保证大于。
综上所述，Boost电路工作在CCM模式下需要满足的条件为：
2.2 BCM临界导通模式
图6 Boost电路BCM模式下电感电流波形图
通过图6可以看出，Boost电路工作在CCM模式时。此时一个周期内的由一个三角形组成，即：
BCM模式下纹波电流为：
BCM模式下波动电流的平均值为：
![I_{L}=\frac{S_{L}}{T_{S}}=\frac{1}{2}[I_{max}-I_{min}]=\frac{1}{2}I_{max}](http://img.e-com-net.com/image/info8/92eeab52e47d4f2abea6f310c9846836.png)
上式同样可以说明到的距离和到的距离相等，即。若想让Boost电路工作在BCM模式，须保证，也就是要保证等于。
由于，所以Boost电路工作在BCM模式下需要满足的条件为：
2.2 DCM非连续导通模式
图7 Boost电路DCM模式下电感电流波形图
通过图7可以看出，Boost电路工作在DCM模式时，此时一个周期内的由一个三角形组成，但是该三角形的底边长为，且有，即：
DCM模式下纹波电流和BCM模式一样：
DCM模式下波动电流的平均值为：
在DCM模式下到的距离和到的距离并不相等，从图中可知，即。由此可以看出， 若想让Boost电路工作在DCM模式，需要保证小。
综上所述，Boost电路工作在DCM模式下需要满足的条件为：
2.3 小结
（1）当时，Boost电路工作在连续导通模式（CCM）
（2）当时，Boost电路工作在临界导通模式（BCM）
（3）当时，Boost电路工作在非连续导通模式（DCM）
3 Boost电路在CCM模式下的元件参数设计
Boost电路通常工作在CCM模式下，所以本文主要研究CCM模式下Boost电路的元件参数设计。为了更好的表述和理解，首先对以下变量进行说明：和
表示输入和输出的直流电压， 
表示电感L上的电压，
和
表示输入和输出的直流电流，
和
表示输入和输出的功率；
表示控制信号的周期，
表示控制信号高电平持续的时间，
则表示控制信号低电平持续的时间，D表示控制信号高电平的占空比。
（1）输入电压与输出电压的关系
由于电感上的能量遵循守恒原则，即吸收的能量等于释放的能量，如图4(d)所示。根据伏秒平衡公式可得：
（2）输入电流与输出电流的关系
假设电路工作在理想状态下电路无损耗，即：
3.1 储能电感L的参数设计
（1）求电感上的纹波电流
已知电感的VCR：
① 在时间内，由图4(d)所示
此时与方向关联，有：
② 在时间内，由图4(d)所示
此时与方向非关联，有：
综上所述，在CCM模式下电感上的纹波电流
为：
（2）通过上述分析可知，CCM模式下电感上的纹波电流为：
而电感上的电流
就是输入电流：
另外，根据第3节对Boost电路工作模式的分析可知，在CCM模式下有：
则有：
由此得出，要使Boost电路工作于CCM模式下，其电感L的取值必须满足下述条件：
（注意：上式中的表示Boost电路的最大输出功率）
（3）设计Boost电路电感L的参数时，不仅要考虑电路的工作模式，还要考虑电流的纹波率
，电感电流的纹波率：
已知：
所以：
若电路的电流纹波率要满足：
，则有：
比较上面两个电感L的取值条件，由于纹波率指标
通常都小于1，所以在CCM模式下电感L的取值只需要考虑纹波率指标即可。即Boost电路工作在CCM模式下，且纹波率要小于时，电感L的取值需满足的条件为：
（4）令：
当
时，
取得最大值，即：
要满足
，只需满足
即可，因此当D可以取到1/3时电感L的取值需满足的条件为：
（5）综上所述，Boost电路工作在CCM模式下，且电流纹波率小于时，电感L的取值需满足：
特别的，当占空比D可以取1/3时，电感L的取值需满足的条件又可以表述为：
3.2 输出滤波电容C的参数设计
相对于储能电感的参数设计，输出滤波电容的参数设计要简单一些，只需要考虑输出电压纹波率的指标
即可。
首先求输出滤波电容C上的纹波电压
，已知输出滤波电容的VCR：
代入参数可得：
所以：
要求输出电压纹波率小于，即：
综上所述，Boost电路在满足输出电压纹波率小于时，输出滤波电容C的取值需满足的条件为：
3.3 输入滤波电容Cs的参数设计
在CCM模式下，假设电感L的纹波电流
全部被输入电容Cs吸收(参考图5)，则有：
其中
是输入信号的纹波电压，而
是输入电压的纹波率：
其中是输入信号的纹波电流：
3.4 二极管选型
利用仿真软件中工具探头来看开关管和二极管处的电压和电流。
开关管处电压波形：绿色波形
二极管处电流波形：红色波形
仿真波形可以发现，在开关管导通时，流过二极管的电流为0A，开关管关闭时，电感在放电，流过二极管的电流在线性减小。在这个过程中流过二极管的电流是一个变化的，存在峰值电流和平均电流，这时就需要考虑二极管的过流能力。
开关管关断时，流过二极管的电流约大于负载电流，假设流过二极管的平均电流Id，导通压降Vd，那么二极管的平均功率Pd=Id*Vd，
那么对于功率转换来分析，Po=Pl+Pd(Pl表示负载功率)
为了提高输出效率，减小功率损耗，选择二极管时尽量选择导通压降小的管子，让电感储存的能量尽可能多的提供给负载。
为了更进一步的来看二极管电流的变化，仿真中单独将流过二极管的电流波形提取出来，图中发现二极管的电流有一个向下的尖峰，这个尖峰又是什么原因造成呢？这个尖峰又会造成怎样的影响呢？
究其原因，开关管不断的以开关频率在进行开关动作，在这个过程中二极管也不断的在重复导通和截止状态，这个速度是极其快的，它的导通和截止理想情况需与开关频率同步，这样就能让电流完美的进行切换。但实际上理想的二极管并不存在，所以在实际应用中一般选择导通截止开关速度快的肖特基二极管。在这种情况下二极管还是会存在一个反向恢复时间，这样就会在存在一个尖峰。
实际应用中的二极管，在电压突然反向时，二极管电流并不是很快减小到0，而是会有比较大的反向电流存在，这个反向电流降低到最大值的0.1倍所需的时间，就是反向恢复时间。在这个反向恢复时间里，二极管可以通过较大的反向电流，所以在波形图中就出现一个较大的反向电流尖峰。
有了这个尖峰的存在，原理如没有二极管一样，会增加损耗。
LTspice二极管元器件中选择反向恢复时间更短的二极管进行仿真，波形如下图
尖峰几乎可以看不到，这样的仿真过程中能发现，但实际的工程应用中却很难做到，二极管的参数不一致，PCB走线也存在各种分布参数，所以在选型中只能尽可能的去减小尖峰。
一般二极管的数据手册中都会提到反向恢复时间Trr，而这个Trr也会决定二极管工作的频率。
对Boost身边护法帮手二极管来总结一下，指导选型和实际工程应用。
1、 二极管反向电压大于Vo,并留有一定的余量，正向导通压降越小越理想。
2、 二极管平均正向电流If须大于负载最大电流Iload，正向峰值电流Ifsm需大于电感峰值电流Il_peak，并留有余量。
3、 二极管反向恢复时间Trr越小越理想。
3.5 小结
要求Boost电路工作在CCM模式，且要求电流纹波率小于，输出电压纹波率小于，输入电压纹波率小于时，其储能器件的参数设计所需满足的条件如下：
补充：Boost电路硬件设计实例
Boost电路硬件设计实例_Vane Zhang的博客-CSDN博客