BOOST电路方案设计
项目名称基于PWM控制BOOST变换器设计
一、目的
1 ?熟悉BOOST变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。
2 ?熟悉专用PWM控制芯片工作原理，
3?探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。
二、内容
设计基于PWM控制的BOOST变换器，指标参数如下：
输入电压：9V?15V;
输出电压：24V，纹波＜1%;
输出功率：30W
开关频率：40kHz
具有过流、短路保护和过压保护功能，并设计报警电路。
具有软启动功能。
进行Boost变换电路的设计、仿真（选择项）与电路调试
三、实验仪器设备
1 ?示波器
2 .稳压电源
3 ?电烙铁
4. 计算机
5. 万用表
四、研究内容
（一）方案设计
本设计方案主要分为4个部分：1）Boost变换器主电路设计；2）PWM控
制电路设计；3）驱动电路设计；4）保护电路设计。系统总体方案设计框图如图 1.1所示。
1 ?主电路参数设计[1,2]
电路设计要求：输入直流电压9~15V ，输出直流电压24V ，输出功率30W , 输
出纹波电压小于输出电压的1%,开关频率40kHz , Boost 电路工作在电流连续 工作
模式（CCM ）。
Boost 变换器主电路如图1.2所示，由主开关管Q 、电感L 、滤波电容C 、功率
二极管VD 和负载R 组成。
1）电感计算
忽略电路损耗，工作在CCM 状态，根据Boost 电路输出电压表达式可得PWM
占空比：
艮卩,0.375 乞 D 乞 0.625
。
D max 八十十齐0.625
图1.1系统总体方案设计框图
图1.2 Boost 变换器主电路
2
誉U o 「，当 D =0.375时临界电流为最大，为使电路工乍在
CCM 状态，有 I o I oBmax ，即
L D^U o T s 』375 (―75)2 24 2.5 10J5.1ZH
2I o
取输出电流纹波小于40%,即:
综上，取电感为180?旧的磁环电感。
2）输出滤波电容计算
由输出电压纹波小于1% 得:
花叫1%
U o
CU o C 皿丿625 2?5 10「.25=81.38叩 1%U o
实际选用220/50V 的高频电解电容
3）主开关管选取
主开关管承受的最大漏源电压为最大输出电压 24V ，考虑到过载条件，开关
管最大实际漏源电流为：
I DSmax U °T s = 3A 2 1-D 2L 0.5 8"80 勺0 考虑到实际电压电流尖峰和冲击，电压电流耐压分别取 2.5和2倍裕量，即 应选取 耐压高于60V ，最大电流6A 。实际选用IRF540N 型MOSFET 管，最大 漏源电压 100V ，最大漏极电流22A ，通态电阻0.055愆最高开关频率超过10MHz< 4）功率二极管选择 因系统开关频率为40KHZ ，频率较高，故考虑选用快恢复二极管。二极管 最大 承受电压为24V ，最大电流为1.25A ，故实际选取600V/ 30A 的快恢复二极 由于I oB 2 1.25 LI 。 .D(1-D)2U°T L T s 40% I o Io .. 2 严(“375)24 2.5 10^175.78 比 40% 1.25 0.01 24 I o 管MUR1560。 2. 控制电路设计 本设计的控制部分采用集成控制芯片SG3525,以简化控制电路的设计并提 高系统的可靠性，SG3525控制电路图如图1.3所示。 图1.3 SG3525控制电路图 1）开关频率的设计 开关频率由SG3525的第5、6、7引脚所接的定时电容C T、定时电阻片和放电电阻R D确定，其计算公式为: J 9： 40KHz (0.7R T R D)C T(0.7 3.3 10 200) 10 10 故选取R T-3.3^^，C T =10nF，R^2001，对应开关频率为40KHz。 2）电压调节器设计 为了使电路具有较好的动态和稳态性能，本设计通过在SG3525的1、2、9引脚加入相应的PI电压调节环节，从而使输出电压U。恒定在24V。选取PI的调节参数分别：电阻，心=1/1000，即R2=10K"，尺彳勺心」，C4=100nF。 3. 驱动电路设计 如图1.4所示是主开关管MOSFET管驱动电路，是由三极管Q1和Q2组成的推挽电路。开通时，提供+15V电压信号，关断时提供-5V电压信号，使MOSFET 可 以快速的可靠地开通关断。该驱动电路输入为控制电路的输出即PWM波，输出接MOSFET的栅极（G极）。 图1.4驱动电路 4. 过压保护电路设计 如图1.5所示是过压保护电路原理图，主要由比较放大器LM358、D触发器 74HC7AH和LED灯构成。保护电路的过压临界电压设定为27V。 由原理图可知，比较器的反相端的参考电压为 2.5V （将SG3525的16引脚所提供的5.1V基准电压通过一个电位器分压得到），比较器同相端的过压信号是从主电路的反馈端接入的。当输出电压超过27V时，比较器的输出由低电平跳 变为高电平，而此时D触发器的Q端随输入端跳变到高电平，LED灯被点亮，并给SG3525的10引脚一个外部关断信号，使控制电路输出被禁止，从而实现电路故障保护功能。 同时，将105的电容和1K电阻跨接在5.1V电压与GND之间，并从中间抽头接入D触发器复位端1端。这样，在开始上电时，电容相当于开路，使复位端置于高电平，起到复位的作用；当过压时，产生触发脉冲，电容充电，使得最终在RC 时间内电容充电完成，复位端置低电平，整个D触发器等待被过压信号触发。而一旦过压信号消失，电容放电，复位端重新置于高电平，电路复位，保 护功能取消，电路继续正常工作。 （三）系统实验验证 1 ?电路的焊接与调试 为进行系统实验验证，首先需要按照所设计的电路原理图，在多功能印制板 上 进行电路的焊接与调试，如图3.1所示是本系统电路原理图。根据系统的构成, 将主要分为PWM 控制电路、主电路、保护电路这三个部分来进行电路的焊接与 调试。 图1.5 过压保护电路原理图 图2.3保护电路仿真结果 图3.1系统原理图 1）PWM控制电路 PWM控制电路焊接完成并且检查无误后，首先进行开环调试。具体方法是：①将SG3525的1脚和9脚之间所接的闭环控制回路断开，然后1脚和9脚短接，观察11、14脚是否有PWM波输出。若无PWM输出，则逐步排查电路。若有PWM 波输出，则通过调节2脚所接的可调电位器来调节占空比。②检查推挽电路的输出波形，正常情况下应该是有正有负的PWM波，且PWM波的最大值应大于5V，最小值应小于-1V。可以通过调整推挽电路的电阻参数，来完成高质量的PWM波输出。 2）主电路 主电路的焊接应当注意：①因为主功率线所流过的电流比较大（带负载时将近3A），故应使用比较粗的铜线。②主电路与控制电路是共地的，能否可靠共地对实验能否顺利完成起到了至关重要的作用。③焊接完成后，接入电感，并将PI闭环控制回路接入SG3525的1脚和9脚，设置好PI调节的参数，检查无误后即可上电调试。④上电时应使主电路的输入电压逐渐升高至9V，同时用示波 器观测主电路的输出端电压变化，当输入稳定在9V时调节SG3525的2脚的电 位器，使主电路输出电压稳定在24V。至此，主电路调试完成。 3）保护电路 保护电路也比较简单，按照原理电路图焊接即可。首先SG3525的10脚与GND断开，然后再将过压信号经触发器5脚输出后接回SG3525的10脚。本设计的临界电压设定为27V，当主电路的输出电压升到27V时，比较器输出电压跳到高电平，此时D触发器Q端跳变到高电平，红灯点亮，SG3525的PWM输出被禁 止；当输出电压低于27V时，红灯自动熄灭，PWM正常输出。至此，保 护电路调试完成 项目名称基于PWM控制BOOST变换器设计 一、目的 1 ?熟悉BOOST变换电路工作原理，探究PID闭环调压系统设计方法。 2 ?熟悉专用PWM控制芯片工作原理， 3?探究由运放构成的PID闭环控制电路调节规律，并分析系统稳定性。 二、内容 设计基于PWM控制的BOOST变换器，指标参数如下： 输入电压：9V?15V; 输出电压：24V，纹波＜1%; 输出功率：30W 开关频率：40kHz 具有过流、短路保护和过压保护功能，并设计报警电路。 具有软启动功能。 进行Boost变换电路的设计、仿真（选择项）与电路调试 三、实验仪器设备 1 ?示波器 2 .稳压电源 3 ?电烙铁 4. 计算机 5. 万用表 四、研究内容 （一）方案设计 本设计方案主要分为4个部分：1）Boost变换器主电路设计；2）PWM控 制电路设计；3）驱动电路设计；4）保护电路设计。系统总体方案设计框图如图 1.1所示。 1 ?主电路参数设计[1,2] 电路设计要求：输入直流电压9~15V ，输出直流电压24V ，输出功率30W , 输 出纹波电压小于输出电压的1%,开关频率40kHz , Boost 电路工作在电流连续 工作 模式（CCM ）。 Boost 变换器主电路如图1.2所示，由主开关管Q 、电感L 、滤波电容C 、功率 二极管VD 和负载R 组成。 1）电感计算 忽略电路损耗，工作在CCM 状态，根据Boost 电路输出电压表达式可得PWM 占空比： 艮卩,0.375 乞 D 乞 0.625 。 D max 八十十齐0.625 图1.1系统总体方案设计框图 图1.2 Boost 变换器主电路 BOOST电路设计介绍 0 引言 在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功率输出，如70W以上的DC／DC升压电路，由于专用升压芯片内部开关管的限制，难于做到大功率升压变换，而且芯片的价格昂贵，在实际应用时受到很大限制。考虑到Boost升压结构外接开关管选择余地很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功率输出的DC／DC 升压电路。 UC3S42是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计，常用作隔离回扫式开关电源的控制电路，根据UC3842的功能特点，结合Boost拓扑结构，完全可设计成电流型控制的升压DC／DC电路，且外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到100W以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。 1 UC3842芯片的特点 UC3842工作电压为16~30V，工作电流约15mA。芯片内有一个频率可设置的振荡器；一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于MoSFET的驱动；一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器；具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100％。另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。 由UC3842设计的DC／DC升压电路属于电流型控制，电路中直接用误差信号控制电感峰值电流，然后间接地控制PWM脉冲宽度。这种电流型控制电路的主要特点是： 1)输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率； 2)电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改善了线性调整率； 3)简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地工作； 4)电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定输出大小的因素，在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应，特别是占空比，50％的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即使占空比<50％，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 2 Boost电路结构及特性分析 2.1 由UC3842作为控制的Boost电路结构 由UC3842控制的Boost拓扑结构及电路分别如图1和图2所示。 课程设计说明书 课程名称：电力电子课程设计 设计题目：Boost电路的建模与仿真专业：自动化 班级：自091 学号： 0902100202 姓名：张凯强 指导教师：陆益民 广西大学电气工程学院 二○一一年十二月 1．题目 一个Boost变换器的设计 2．任务 设计一个Boost变换器，已知V1=48V±10%，V2=72V，I0=0～1A。要求如下： 1）选取电路中的各元件参数，包括Q1、D1、L1和C1，写出参数选取原则和计算公式； 2）编写仿真文件，给出仿真结果：（1）电路各节点电压、支路流图仿真结果；（2）V2与IO的相图（即V2为X坐标；IO为Y坐标）；（3）对V2与IO进行纹波分析；（4）改变R1，观察V2与IO的相图变化。 3）课程设计说明书用A4纸打印，同时上交电子版（含仿真文件）；4）课程设计需独立完成，报告内容及仿真参数不得相同。 一、原理分析 分充电和放电两个部分来说明（假设MOS 管断开很久，所有元件都处在理想状态）： 充电过程 在充电过程中，开关闭合（MOS 管导通），等效电路如图二，开关（MOS 管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。 放电过程如图，这是当开关断开（MOS 管截止）时的等效电路。当开关断开（MOS 管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。 U ()o t +- + - U ()o t +-+ - 电气与电子信息工程学院 《电力电子装置设计与制作》 课程设计报告 名称：开关直流升压电源(BOOST)设计专业名称：电气工程及其自动化 班级： 13级电气工程及其自动化（专升本）班学号： 姓名： 指导教师：南光群张智泉 设计时间：2014年11月24日——12月5日 设计地点：K2-306及K2-414实验室 开关电源装置设计与制作报告成绩评定表 指导教师签字： 《电力电子装置设计与制作》课程设计任务书 2014～2015学年第一学期 学生姓名：专业班级：13级电气工程及其自动化（专升本）班指导教师：张智泉南光群工作部门：电气与电子信息工程学院 一、课程设计题目：电力电子装置设计与制作 二、课程设计内容 根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在Protel或OrCAD软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。 设计题目选： 题目二：开关直流升压电源(BOOST)设计 主要技术指标： 1）输入交流电压220V（可省略此环节）。 2）输入直流电压在8-18V之间。 3）输出直流电压10-25V，输出电压相对变化量小于2%。 4）输出电流1A。 5）采用脉宽调制PWM电路控制。 三、进度安排 四、基本要求 1、独立设计原理图各部分电路的设计； 2、制作硬件实物，演示设计与调试的结果。 3、写出课程设计报告。内容包括电路图、工作原理、实际测量波形、调试分析、测量精度、结论和体会。 4、写出设计报告：不少于3000字，统一复印封面并用Ａ4纸写出报告。 ○1封面、课程设计任务书 ○2摘要，关键词（中英文） ○3方案选择，方案论证 ○4系统功能及原理。（系统组成框图、电路原理图） ○5各模块的功能，原理，器件选择 ○6实验结果以及分析 ○7设计小结 ○8附录---参考文献 电力电子技术课程设计课题：60W boost电路的设计 班级电气学号 姓名 专业电气工程及其自动化 系别电子与电气工程学院 指导教师陈万 2015年6月 目录 一、总体设计思路 (3) 1.1设计的目的 (3) 1.2实现方案 (3) 二、直流稳压电源设计 (4) 2.1电源设计基本原理 (4) 2.2稳压电源总电路设计 (6) 三、boost主电路设计 (8) 3.1boost电路工作原原理 (8) 四、控制电路设计......................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1PWM控制芯片SG3525 ............................................................. 错误！未定义书签。 4.2控制电路原理............................................................................. 错误！未定义书签。 五、驱动电路设计......................................................................................... 错误！未定义书签。 5.1IGBT对驱动电路的影响 (14) 5.2驱动电路基本原理 (14) 六、结论 (16) 七、心得体会 (16) 八、附录 一、 总体设计思路 1.1 设计目的 升压斩波电路是最基本的斩波电路之一，利用升压斩波电路可以实现对直流的升压变化。所以，升压斩波电路也可以认为是直流升压变压器，升压斩波电路的应用主要是以Boost 变换器实现的。升压斩波电路的典型应用有：一、直流电动机传动，二、单相功率因数校正（Power Factor Correction PFC ）电路，三、交直流电源。直流升压斩波电路的应用非常广泛，原理相对比较简单，易于实现，但是，设计一个性能较好变压范围大的Boost 变换器并非易事，本设计的目的也就在于寻求一种性能较高的斩波变换方式和驱动与保护装置。 1.2 实现方案 本设计主要分为五个部分：一、直流稳压电源（整流电路）设计，二、Boost 变换器主电路设计，三、控制电路设计，四、驱动电路设计，五、保护电路设计。 直流稳压电源的设计相对比较简单，应用基本的整流知识，该部分并非本设计的重点，本设计的重点在于主电路的设计，主电路一般由电感、电容、电力二极管、和全控型器件IGBT 组成，主电路的负载通常为直流电动机，控制电路主要是实现对IGBT 的控制，从而实现直流变压。主电路是通过PWM 方式来控制IGBT 的通断,使用脉冲调制器SG3525来产生PWM 的控制信号。设计主电路的输出电压为75V ，本设计采用闭环负反馈控制系统，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM 信号，达到负反馈稳定控制的目的。 L D C R V L i i u o u + - +- O t g u O t L i max L i min L i T on t 图1-1 原理框图 二、直流稳压电源设计 2.1电源设计基本原理 在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。这次设计的直流电源 基于UC3854的BOOST 电路PFC 变换器的设计 1. 设计指标 输入电压：200VAC ～250VAC 输入频率：50Hz 输出直流电压：400V 输出功率：500W 功率因数：>98% 输入电流THD ：<5% 2. 开关频率 综合考虑效率和变换器体积，选取开关频率为100KHz 。 原理图 3. 电感 电感值大小决定了输入端高频纹波电流总量，可以根据计算出的电流纹波总量ΔI 来选择电感值。 电感值的确定从输入正弦电流的峰值开始，而最大的峰值电流出现在最小电网电压的峰值处： ()(min) 2line pk in P I V = 由上式可知，此时的最大峰值电流为3.54A 。 通常选择电感中的峰-峰值纹波电流为最大峰值电流的20%左右，故有ΔI=707mA 。 电感值根据最低输入电压时半个正弦波顶部的峰点的电流来选择，此 时 200282.8,100in S V V f KHz === 根据此处电压和开关频率的占空比来选择： o in o V V D V -= in s V D L f I ?=?? 由上式可得L =1.17mH ，取L =1.2mH 。 4. 输出电容 涉及输出电容的选择因数有开关频率纹波电流、2次纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压和维持时间等。在本例中，电容的选择主要考虑维持时间。维持时间是在电源关闭以后，输出电压任然能保持在规定围的时间长度，去典型值为15~50ms 。可根据以下公式确定（能量守恒）： 22 0(min) 2o o P t C V V ???= - 式中，取Δt=64ms ，V o （min ）=300V 。，可得C o =914uF ，可以选取915uF 的电解电容。 5. 电感电流检测 采用在变换器到地之间使用一检测电阻。一般选择压降为1V 左右的检测电阻，此处选择0.25Ω的电阻作为R S ,在最坏的情况下（峰值电流达到原值1.25倍），4.4A 的峰值电流将会产生最大1.1V 的压降。 6. 峰值电流限制 UC3854的峰值限制功能，在电感电流的瞬时值电流超过最大值，即2管脚低于低电平时被激活，将开关断开。电流限制值有基准电压初一电流检测电阻的分压来设置： 1 2RS PK PK REF V R R V = 式中，R PK1和R PK2是分压电阻；V REF 值为7.5V ；V RS 是检测电阻R S 上的电压值。通过R PK2的电流大约为1mA ，由上可知峰值电流限制在4.4A ，R PK1取10k Ω，R PK2取1.5k Ω。 7. 前馈电压信号 V FF 是输入到平方器电路的电压，UC3854平方器电路通常在1.4V~4.5V 的围工作。UC3854 有一个钳位电路，即使输入超过该值，都将前馈电压的有效值限制在4.5 前馈输入电压分压器有3个电阻R FF1、R FF2、R FF3，及两个电容C FF1、C FF2。因此它能进行两级滤波并提供分压输出。分压器和电容形成一个二阶低通滤波器，所以其直流输出是和正弦半波的平均值成正比。 前馈电压V FF 分压器有两个直流条件需要满足。在高输入电网电压下，前馈电压应不高于4.5V ，当达到或超过此值时，前馈电压被钳制而失去前馈功能。在低输入电网电压时，应设置分压器使前馈电压等于1.414V ，如果不到1.414V 部限流器将使乘法器输出保持恒定。 选取分压电阻R FF1为900k Ω，R FF2为92.14k Ω，R FF3为7.86k Ω。当输入电压为AC250V 的时候，直流电压平均值为225V ，此时V FF 为1.77V ；当输入电压为AC200V 的时候，直流电压平均值为160V ，此时V FF 为1.41V 。 8. 乘法器的设置 乘法器、除法器是功率因素校正器的核心。乘法器的输出调节电流环用以控制输入电流功率因素提高。因此此乘法器的输出是个表达输入电流的信号。 目录 摘要 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 1 BOOST斩波电路工作原理.................................................................................................. - 1 - 1.1 主电路工作原理...................................................................................................... - 1 - 1.2 控制电路选择.......................................................................................................... - 1 - 2 硬件调试 ................................................................................................................................. - 3 - 2.1 电源电路设计.......................................................................................................... - 3 - 2.2 升压（boost）斩波电路主电路设计 ..................................................................... - 4 - 2.3 控制电路设计.......................................................................................................... - 5 - 2.4 驱动电路设计.......................................................................................................... - 8 - 2.5 保护电路设计.......................................................................................................... - 9 - 2.5.1 过压保护电路.............................................................................................. - 9 - 2.5.2 过流保护电路............................................................................................ - 10 - 2.6 直流升压斩波电路总电路.................................................................................... - 11 - 3总结 ........................................................................................................................................ - 12 - 4参考文献 ................................................................................................................................ - 12 - 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。另外还有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts 不变，改变ton）和频率调制方式（ton不变，改变Ts）。本设计是基于SG3525芯片为核心控制的脉宽调制方式的升压斩波电路和降压斩波电路，设计分为Multisim仿真和Protel两大部分构成。Multisim主要是仿真分析，借助其强大的仿真功能可以很直观的看到PWM控制输出电压的曲线图，通过设置参数分析输出与电路参数和控制量的关系，利用软件自带的电表和示波器能直观的分析各种输出结果。第二部分是硬件电路设计，它通过软件设计完成。 关键字：直流斩波；PWM；SG3525 一种实用的BOOST电路 0 引言 在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功率输出，如70W以上的DC ／DC升压电路，由于专用升压芯片内部开关管的限制，难于做到大功率升压变换，而且芯片的价格昂贵，在实际应用时受到很大限制。考虑到Boost升压结构外接开关管选择余地很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功率输出的DC／DC升压电路。 UC3S42是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计，常用作隔离回扫式开关电源的控制电路，根据UC3842的功能特点，结合Boos t拓扑结构，完全可设计成电流型控制的升压DC／DC电路，且外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到100W以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。 1 UC3842芯片的特点 UC3842工作电压为16~30V，工作电流约15mA。芯片内有一个频率可设置的振荡器；一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于MoSFET的驱动；一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器；具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100％。另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。 由UC3842设计的DC／DC升压电路属于电流型控制，电路中直接用误差信号控制电感峰值电流，然后间接地控制PWM脉冲宽度。这种电流型控制电路的主要特点是： 1)输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率； 2)电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改善了线性调整率； 3)简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地工作； 4)电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定输出大小的因素，在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应，特别是占空比，50％的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即使占空比<50％，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 Boost电路参数设计 Boost 电路的原理图如下图所示 LD Q?CR 当MOSFET开通时，电源给电感L充电，电感储能，电容放电。电感上的电流增加量（电感线圈未饱和时）为： V in?DT?I?)L(?L TD为占空比，其中：为开关周期。当MOSFET关断时，电感放电，电感的能量通过二极管传递到负载。电感上的电流不断减小，忽略二极管的压降，则电流变化为：V?V ino?(1?D)T?I?)L(?L电感电流连续模式时，在稳态条件下，电感上的电流增加等于其电流减小，即?I??I，于是整理可得：)?(LL(?)V1o?V1?D in D<1，所以0 目录 一. Boost主电路设计： (2) 1.1占空比D计算 (2) 1.2临界电感L计算 (2) 1.3临界电容C计算（取纹波Vpp<2.2V） (2) 1.4输出电阻阻值 (2) 二. Boost变换器开环分析 (3) 2.1 PSIM仿真 (3) 2.2 Matlab仿真频域特性 (5) 三. Boost闭环控制设计 (6) 3.1闭环控制原理 (6) 3.2 补偿网络的设计（使用SISOTOOL确定参数） (7) 3.3 计算补偿网络的参数 (8) 四．修正后电路PSIM仿真 (9) 五．设计体会 (12) Boost变换器性能指标: 输入电压：标准直流电压Vin=48V 输出电压：直流电压Vo=220V 参考电压Vref=5V 输出功率：Pout=5Kw 输出电压纹波：Vpp=2.2V Vm=4V 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=100kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB 一. Boost主电路设计： 1.1占空比D计算 根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。D=U O?U inmax U O =0.782 1.2临界电感L计算 Lc=DV o1?D2 2f s i o =1.8μH 选取L>Lc，在此选L=4uH 1.3临界电容C计算（取纹波Vpp< 2.2V） C=I O D f s V PP =22.7×0.782 100000×2.2 =80.6μF 选取C>Cc，在此选C=100uF 1.4输出电阻阻值 R=U I = U×U P =9.68 Boost主电路传递函数Gvd（s） 占空比d（t）到输出电压Vo（t）的传递函数为： G vd s=1?D V(1?LS （1?D)2R ) LCs2+s L R +(1?D)2 G vd s=47.96?1?8.7×10?6s 4×10?10s2+4.13×10?7s+0.048 二. Boost变换器开环分析 2.1 PSIM仿真 电压仿真波形如下图 电压稳定时间大约1.5毫秒，稳定在220V左右 电压稳定后的纹波如下图 2 系统设计 2. 1 Boost 升压电感的设计 要想设计出性能优良的PFC 电路，除了IC外围电路各元件值选择合理外，还需特别认真选择Boost 升压储能电感器。它的磁性材料不同，对PFC 电路的性能影响很大，甚至该电感器的接法不同，且会明显地影响电流波形;另外，驱动电路的激励脉冲波形上升沿与下降沿的滞后或振荡，都会影响主功率开关管的最佳工作状态。当增大输出功率到某个阶段时，还会出现输入电流波形发生畸变甚至出现死区等现象。因此，在PFC 电路的设计中，合理选择Boost PFC 升压电感器的磁心与绕制电感量是非常重要的。电感值的计算以低输入电压Uin(peak) 和对应的最大占空比Dmax时保证电感电流连续为依据，计算公式为： 式中Uin(peak)———低输入交流电压对应的正弦峰值电压，V Dmax———Uin(peak) 对应的最大占空比 ΔI———纹波电流值，A; 计算时，假定为纹波电流的30% fs———开关频率，Hz 占空比的计算公式为： 若输入交流电压为220 V( 最低输入电压为85 V)，输出直流电压为390 V，开关频率为fs =50 kHz，输出功率Po =350 W，则可计算得到Dmax =0. 78，纹波电流为1. 75 A，从而求得电感值L3 =713 μH，实际电感值取为1 mH。 由于升压电感工作于电流连续模式，需要能通过较大的直流电流而不饱和，并要有一定的电感量，即所选磁性材料应具有一定的直流安匝数。 设计中，升压电感器采用4 块EE55 铁氧体磁心复合而成，其中心柱截面气隙为1. 5 mm，Boost 储能电感器的绕组导线并不用常规的多股0. 47 mm漆包线卷绕，而是采用厚度为0. 2mm、宽度为33 mm 的薄红铜带叠合，压紧在可插4 块EE55 磁心的塑料骨架上，再接焊锡导线引出，用多层耐高压绝缘胶带扎紧包裹。去消用薄铜带工艺绕制的Boost 储能电感，对减小高频集肤效应、改善Boost 变换器的开关调制波形、降低磁件温升均起重要作用。 2. 2 输出电容设计 直流侧输出电容具有2 个功能: (1) 滤除由于器件高频开关动作造成的直流电压的纹波;(2) 当负载发生变化时，在整流器的惯性环节延迟时间内，将直流电压的波动维持在限定范围内。 开关动作造成的纹波频率比较高，只需要较小的电容就可以满足第1 项要求。第2 项要求与负载功率变化的大小、输出直流电压、输出纹波电压和保持时间Δt 等因素有关，其中Δt 一般取为15 ～50 ms。用Δt 表达的输出电容值为： 式中Δt———保持时间，电网断电后要求电容在时间Δt 内电压不低于一定值 Boost升压电路及MATLAB仿真 一、设计要求 1.输入电压（VIN）:300V（+-20％） 2.输出电压（VO）:410V 3.输出功率（PO）:10kw 4.电压纹波：≤1％ 5.开关频率设置为10KHz 输入电压在240—360V范围变化时，稳态输出能够保持在410V。根据设计要求表明需要设计一个升压电路即Boost电路。Boost电路又称为升压型电路,是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。其工作过程包括电路启动时的瞬态工作过程和电路稳定后的稳态工作过程。 同时，也需设计一个闭环控制电路，当输入电压变化时，能准确的跟踪电压变化，改变PWM 电压占空比，以稳定输出电压。 二、主电路设计 图1主电路 2.1 Boost电路的工作原理 Boost升压电路电感的作用：是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当IGBT开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当IGBT断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁场能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，既升压过程的完成。 Boost升压电路的二极管主要起隔离作用，即在IGBT开关管闭合时，肖特基二极管的正极电压比负极的电压低，此时二极管反向截止，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IGBT管断开时，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。闭合开关会引起通过电感的电流增加。打开开关会促使电流通过二极管流向输出电容因储存来自电感的电流，多个开关周期以后输出电容的电压升高，结果输出电压高于输入电压。 接下来分两部分对Boost电路作具体介绍即充电过程和放电过程。 充电过程 Boost反馈控制器设计 专业： 学号： 姓名： 一、设计要求 设计Boost 反馈校正电路，使得输入10V ，输出15V ，并分析输出响应的快速性与静态误差。 二、原系统分析 Boost 电路闭环控制系统结构图如图1所示，其中电源Vin=10V ，Vo=15V ，电感1mH ，电容500uF ，电阻10Ω，开关频率10KHz 。 图1 Boost 电路闭环控制系统结构图 根据Boost 电路的小信号模型可知，其占空比到输出电压的传递函数如式 （1）所示。 2 220)s (v o 'D s R L LCs )R 'D sL 1(V 'D )s (d )s (v in ++- == (1) 16 106.3108.1360101.89 410101010500)1094101(1532|)()(10,500,1153 11553252323630)('+?+?+?-=++???-??=Ω ======-=-------=s s s s s s s d s V R uF C mH L V V V V V D s in V o O i O 代入得： 将 -40-2002040 60M a g n i t u d e (d B ) 10 1010101090 180 270 360P h a s e (d e g )Bode Diagram Gm = -27 dB (at 1.33e+003 rad/sec) , P m = -50.6 deg (at 5.81e+003 rad/sec) Frequency (rad/sec) 图2 原始系统的波特图 可见该传递函数是一个非最小相位系统，其波特图如图2所示。 电路的幅值裕度：GM=-27dB ，相位裕度：-50.6deg 其稳定判据显示系统不稳定。 三、PI 控制器校正分析 1 总体设计思路 1.1设计目的 升压斩波电路是最基本的斩波电路之一，利用升压斩波电路可以实现对直流的升压变化。所以，升压斩波电路也可以认为是直流升压变压器，升压斩波电路的应用主要是以Boost变换器实现的。升压斩波电路的典型应用有：一、直流电动机传动，二、单相功率因数校正（Power Factor Correction PFC）电路，三、交直流电源。直流升压斩波电路的应用非常广泛，原理相对比较简单，易于实现，但是，设计一个性能较好变压范围大的Boost变换器并非易事，本设计的目的也就在于寻求一种性能较高的斩波变换方式和驱动与保护装置。 1.2实现方案 本设计主要分为五个部分：一、直流稳压电源（整流电路）设计，二、Boost 变换器主电路设计，三、控制电路设计，四、驱动电路设计，五、保护电路设计。直流稳压电源的设计相对比较简单，应用基本的整流知识，该部分并非本设计的重点，本设计的重点在于主电路的设计，主电路一般由电感、电容、电力二极管、和全控型器件IGBT组成，主电路的负载通常为直流电动机，控制电路主要是实现对IGBT的控制，从而实现直流变压。主电路是通过PWM方式来控制IGBT的通断,使用脉冲调制器SG3525来产生PWM的控制信号。设计主电路的输出电压为75V，本设计采用闭环负反馈控制系统，将输出电压反馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生PWM信号，达到负反馈稳定控制的目的。 图1-1 总电路原理框图 2直流稳压电源设计 2.1电源设计基本原理 在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。这次设计的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50Hz、有效值为220V的单向交流电压转换为幅值稳压、输出电流为几十安以下的直流电压。其基本框图如下： 图2-1直流稳压电源基本框图 图 2-2 波形变换 2.1.1变压环节 由于直流电压源输入电压为220V电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处理。变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。 2.1.2整流环节 变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。 B O O S T电路设计与仿真 SANY GROUP system office room 【SANYUA16H- 目录 一.Boost主电路设计： (3) 1.1占空比D计算 (3) 1.2临界电感L计算 (3) 1.3临界电容C计算（取纹波Vpp<2.2V） (3) 1.4输出电阻阻值 (3) 二.Boost变换器开环分析 (4) 2.1PSIM仿真 (4) 2.2Matlab仿真频域特性 (6) 三.Boost闭环控制设计 (7) 3.1闭环控制原理 (7) 3.2补偿网络的设计（使用SISOTOOL确定参数） (8) 3.3计算补偿网络的参数 (9) 四．修正后电路PSIM仿真 (10) 五．设计体会 (13) Boost变换器性能指标: 输入电压：标准直流电压Vin=48V 输出电压：直流电压Vo=220V参考电压Vref=5V 输出功率：Pout=5Kw 输出电压纹波：Vpp=2.2VVm=4V 电流纹波：0.25A 开关频率：fs=100kHz 相位裕度：60 幅值裕度：10dB 一.Boost主电路设计： 1.1占空比D计算 根据Boost变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围。 1.2临界电感L计算 选取L>Lc，在此选L=4uH 1.3临界电容C计算（取纹波Vpp< 2.2V） 选取C>Cc，在此选C=100uF 1.4输出电阻阻值 Boost主电路传递函数Gvd（s） 占空比d（t）到输出电压Vo（t）的传递函数为： 二.Boost变换器开环分析 2.1PSIM仿真 电压仿真波形如下图 电压稳定时间大约1.5毫秒，稳定在220V左右 电压稳定后的纹波如下图 电压稳定后的纹波大约为2.2V 电流仿真波形如下图 电流稳定时间大约2毫秒，稳定在22A左右 电流稳定后的纹波如下图 2.2Matlab仿真频域特性 设定参考电压为5V，则， 系统的开环传递函数为,其中， 由上图可得，Gvd(s)的低频增益为-60dB，截止频率fc=196KHz，相位裕度--84.4，相位裕度过小，高频段是-20dB/dec。系统不稳定，需要加控制电路调整。 1、开环传递函数在低频段的增益较小，会导致较大的稳态误差 2、中频段的剪切频率较小会影响系统的响应速度，使调节时间较大。剪切频率较大则会降低高频抗干扰能力。 3、相角裕度太小会影响系统的稳定性，使单位阶跃响应的超调量较大。 4、高频段是-20dB/dec,抗干扰能力差。 将，代到未加补偿器的开环传递函数中。则 ,其中未加补偿器的开环传递函数如图 三.Boost闭环控制设计 3.1闭环控制原理 BOOST电路的设计与仿真 摘要 BOOST 电路又称为升压斩波电路，它在各类电力电子电路中的应用十分广泛，它将低压直流电变为高压直流电，为负载提供了稳定的直流电压。升压斩波电路的PI和PID调节器的性能对输出的电压影响很大。由于这种斩波电路工作于开关模式下，是一个强非线形系统。采用matlab仿真分析方法, 可直观、详细的描述BOOST 电路由启动到达稳态的工作过程, 并对其中各种现象进行细致深入的分析, 便于我们真正掌握BOOST 电路的工作特性。 【关键词】：Boost电路直流电压 matlab仿真 1．设计要求 （1）输入电压：40v，输出电压：60v—120v （2）根据给定的指标，设计BOOST电路参数。 （3）利用MATLAB软件，对电路进行验证。 （4）通过仿真实验，验证仿真实验，验证电路参数是否正确。 （4）观察电路中主要波形，并记录（仿真，实验）。 2．设计目的 （1）熟悉整流和触发电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。（2）掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。 （3）能正确设计电路，画出线路图，分析电路原理。 3. 设计方案和电路图 3.1 Boost基本工作原理: 假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L 充电，充电电流基本恒定为I 1 ,同时C上的电压向负载R供电，因为C也很大，基本 保持输出电压为恒值U 0.设V通态时间为t on ,此阶段L积蓄能量为 E I 1 t on 。当V处于 断态时E和L共同向C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态时间为t off ,则这期 间电感L释放能量为（U 0-E）I 1 t off 一周期T中，电感L积蓄的能量和释放的能量相 等，即 EI 1t on =（U -E）I 1 t off （3-1） 化简得： U 0=T/t off E （3-2） 式（3-2）中的T/ t off ≥1，输出电压高于电源电压，故称改电路为升压斩波电路。有的文献中直接采用其英文名称，称之为BOOST变换器。 上式（3-2）中T/ t off 表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压U 大小， 调节的方法与改变导通比α的方法类似。将升压比倒数记作β，即β= T/ t off ，则β与导通占空比α有如下关系 α+β=1 （3-3） 因此，式（3-2）中表示为 U =1/βE =1/1-αE （3-4） 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 EI 1=U I （3-5） 该式表明，升压斩波电路也可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式（3-4）得出电流的平均值I 为 I 0= U /R=1E/βR （3-6） 由式（3-5）即可得出电源电流I 1 为 I 1= U I /E=E/Rβ2（3-7） 3.2 计算过程 D=20% L=(Ud D)/(△If)=32 mH C=(I0D)/(△Uf)=0.4uF 电力电子技术课程设计报告题目：升压斩波（boost chopper）电路设计 目录 前言*************************************************2 MATlAB仿真设计**************************************6 硬件实验********************************************14 参考文献********************************************19 附录一设计任务书*************************************20 附录二PROTEL简介****************************************21 附录三MATLAB简介****************************************24 升压斩波电路（Boost Chopper）设计一、前言 Chopper工作原理： 图升压斩波电路图 图中假设L 值、C 值很大，V 通时，E 向L 充电，充电电 流恒为I 1，同时C 的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压u o 为恒值，记为U o 。设V 通的时间为t o n ，此阶段L 上积蓄的能量为E I 1t o n V 断时，E 和L 共同向C 充电并向负载R 供电。设V 断的 时间为t o f f ，则此期间电感L 释放能量为()off o t I E U 1- 稳态时，一个周期T 中L 积蓄能量与释放能量相等 ()off o on t I E U t EI 11-= 化简得： E t T E t t t U off off off on o =+= （1） 1/≥off t T ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为bo os t 变换器 off t T /——升压比，调节其即可改变U o 。将升压比的倒数记作β，即T t off =β。β和导通占空比α有如下关系： 1=+βα （2） 因此，式（1）可表示为 E E U o α β-==111 （3） 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：L 储能之后具有使电压泵升的作用，电容C 可将输出电压保持住。BOOST电路方案设计
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