boost电路参数设计详解
Boost 电路参数设计
Boost 电路的原理图如下图所示
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：
DT L
V I in L ?=
?+)( 其中：D 为占空比，T 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：
T D L
V V I in o L )1()(-?-=?- 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)()(-+?=?L L I I ，于是整理可得：
D
V V in o -=11 因为0 电感电流非连续模式时，MOSFET 开通状态下，电感电流的增值为： DT L V I in L ?=?+)( MOSFET 关断状态下，电感电流的下降值为： T D L V V I in o L 2)(?-=?- L D C Q?R 电感电流上升值等于下降值，即)()(-+?=?L L I I ，整理得： 2 2D D D V V in o += 因为在此模式下电感电流是不连续的，所以每个周期电感电流都会下降至零。输出电流等于电感电流的平均值，即 )2 1(12T D I T R V pk o ???= )(+=L pk I I 由上式得，24112 K D V V n i o ++?=，s T R L K ?=2 由此可以看出，对于Boost 电路，电感电流连续模式与电感电流非连续模式有很大的不同，非连续模式输出电压与输入 电压，电感，负载电阻，占空比还有开关频率都有关系。而连续模式输出电压的大小只取决于输入电压和占空比。 1．输出滤波电容的选择 在开关电源中，输出电容的作用是存储能量，维持一个恒定的电压。Boost 电路的电容选择主要是控制输出的纹波在指标规定的范围内。对于Boost 电路，电容的阻抗和输出电流决定了输出电压纹波的大小。电容的阻抗由三部分组成，即等效串联电感（ESL ），等效串联电阻（ESR ）和电容值（C ）。 在电感电流连续模式中，电容的大小取决于输出电流、开关频率和期望的输出纹波。在MOSFET 开通时，输出滤波电容提供整个负载电流。在Boost 电路中，为了满足期望的输出纹波电压，电容值可以按下式选取 V f D I C s o ???≥ max max 其中：max o I 为最大的输出电流； max D 为最大的占空比。 对电感电流非连续模式，电容为 V f Ts R L I C s o ???- ?≥)21(max 在实际设计中，由于电容的ESR ，为了保证较小的纹波电压，必须要选择更大容值的电容。 在电感电流连续模式中，假设电容值足够大以至于可以忽略。就要有足够小的ESR 来限制输出的电压纹波。 )21(max max L o o I D I V ESR ?+-?≤ 在电感电流非连续模式下： L o I V ESR ??≤ 纹波电流通过电容的ESR 中会产生功率损耗，这个损耗会使电容内部的温度上升。过度的温升会大大缩短电容的使用寿命。在不同的环境温度下，电容都有额定的纹波电流。通过电容的电流不能超过其额定值。通过输出电容电流的有效值为 D D I I o MS R c -=1 ESL 可以通过选用低ESL 的电容，限制引线线长度（PCB 以及电容），和采用多个小电容并联的形式来控制它的大小。 有三种低阻抗的电容，铝、有机半导体和固体钽电容都适合于一般低成本的商业领域。低阻抗铝电解电容成本低，在较小的封装下可以提供更大的容量。但其ESR 比较大。有机半导体电解电容在工业电源中用的越来越普遍。它可以提供较小的ESR 和比较大的容量。固体钽电容可以提供低的ESR 和ESL 以及比较大的容量。在开关电源中是比较理想的选择。 在开关电源中，电感的作用是存储能量。电感的作用是维持一个恒定的电流，或者说，是限制电感中电流的变化。 在Boost 电路中，选择合适电感量通常用来限制流过它的纹波电流。电感的纹波电流正比于输入电压和MOSFET 开通时间，反比于电感量。电感量的大 小决定了连续模式和非连续模式的工作点。 除了电感的感量外，选择电感还应注意它最大直流或者峰值电流，和最大的工作频率。电感电流超过了其额定电流或者工作频率超过了其最大工作频率，都会导致电感饱和及过热。 磁器件厂家提供了很多的电感都可用于DC/DC 变换器。开关电源中最常用的磁心是铁氧体和电工铁。 由于电感绕线的直流电阻，电流通过时产生电感铜损。同时，由于电感的交流电流会导致磁通交变，产生磁损。功率损耗会引起电感的温度上升，过度的温升会使导线的绝缘降低。 Boost 电路中，电感的损耗可以由下式计算， core cu L nductor i P R I P +=2 ， 其中：cu R 为绕线电阻； core P 为磁损，可以有磁心厂家的数据手册中查到。 在小功率的DC/DC 变化中，Power MOSFET 是最常用的功率开关。MOSFET 的成本比较低，工作频率比较高。设计中选取MOSFET 主要考虑到它的导通损耗和开关损耗。要求MOSFET 要有足够低的导通电阻R DS(ON)和比较低的栅极电荷Qg 。 MOSFET 的耗散功率可以由下式计算， s gs g s on f r o on DS on f V Q f D I t t V D R D I PMOSFET ??+?-?+??+??-=2)(2)1()(21)1( 选择续流二极管的重要的标准是：开通速度、击穿电压、额定电流、正向导通电压。开关电源中，通常选择低正向导通电压的肖特基二极管。 续流二极管的损耗计算： o D D I V P ?= 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 型ZVT-PWM 高功率因数软开关变换电路 2.3.1 电路原理图及工作波形图 从2-2章节我们可以知道，本文采用单相有源高功率因数校正电路，所选用的变换器为Boost ZVT-PWM 变换器，其电路原理图及工作波形图如图2-3和图2-4所示[5] 。 L R O 图2-3 Boost 型ZVT-PWM 变换器主电路 v g T r T v i ds i Lr v D i D 图2-4 Boost 型ZVT-PWM 变换器一周期主要电量波形 2.3.2 Boost 型ZVT-PWM 变换器工作原理 设t 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。 摘要： 本文章着重介绍了如何用实现MPPT（最大功率点跟踪），Boost电路详细的工作原理，其中涉及到multisim的主电路仿真和matlab建模的具体实施的过程，对参数的选择和系统的优化做了详细的描述，在实际测试中更加验证了方案的合理性及实用性。 关键词： MPPT Boost电路 multisim仿真 matlab 数据处理 前言： 随着能源的消耗，可再生能源的发展被放到了越来越重要的位置，在可再生能源资源中,太阳能由于其普遍性,丰富性和可持续性，成为了最基本的、必备的可持续资源，太阳能电池是一种有效的利用太阳光来发电的装置。 太阳能电池的工作电压随着温度升高而下降，而蓄电池的充放电电压随充电电流升高而增加，在太阳电池组件中为保证夏天高温天气能对蓄电池正常充电，组件的标准峰值工作电压一般比较大，从而使太阳电池通常有较大一段区间没有真正工作在最大功率点，造成太阳电池以及蓄电池配置容量增加，增大了光伏系统的成本。这里我们引入一个概念 MPPT （最大功率点跟踪），在一般的光伏系统中都没有没置MPPT 电路，而由太阳能电池直接给蓄电池充电，把MPFF控制技术运用在温差变化较大的场合，特别是对于冬、夏以及全日温差较大的地区有明显的技术意义，MPPT跟踪能有效提高太阳电池的输出。 最大功率跟踪（MPPT）是一个电路动态负载匹配的过程，一般都是在太阳能电池与负载之间接一个DC/DC 变换电路，当外界条件变化引起最大功率点发生变动时，调节与负载电阻并联的 mos管的占空比使得外部的等效电阻始终等于太阳能电池的内阻，实现动态的负载匹配，继而得到了太阳能电池的最大功率输出。 太阳能电池系统的机械结构： 电感计算方法 加载其电感量按下式计算:线圈公式 阻抗(ohm) = 2 * 3.14159 * F(工作频率) * 电感量(mH)，设定需用 360ohm 阻抗，因此： 电感量(mH) = 阻抗 (ohm) ?(2*3.14159) ?F (工作频率) = 360 ?(2*3.14159) ?7.06 = 8.116mH 据此可以算出绕线圈数： 圈数 = [电感量* { ( 18*圈直径(吋)) + ( 40 * 圈长(吋))}] ?圈直径 (吋) 圈数 = [8.116 * {(18*2.047) + (40*3.74)}] ?2.047 = 19 圈 空心电感计算公式 空心电感计算公式：L(mH)=(0.08D.D.N.N)/(3D+9W+10H) D------线圈直径 N------线圈匝数 d-----线径 H----线圈高度 W----线圈宽度 单位分别为毫米和mH。。 空心线圈电感量计算公式: l=(0.01*D*N*N)/(L/D+0.44) 线圈电感量 l单位: 微亨 线圈直径 D单位: cm 线圈匝数 N单位: 匝 线圈长度 L单位: cm 频率电感电容计算公式: l=25330.3/[(f0*f0)*c] 工作频率: f0 单位:MHZ 本题f0=125KHZ=0.125 谐振电容: c 单位:PF 本题建义c=500...1000pf 可自行先决定,或由Q 值决定 谐振电感: l 单位: 微亨 线圈电感的计算公式 作者：线圈电感的计算公式转贴自：转载点击数：299 1。针对环行CORE，有以下公式可利用: (IRON) L=N2．AL L= 电感值（H) H-DC=0.4πNI / l N= 线圈匝数(圈) BUCK BOOST BUCK/BOOST电路的原理 Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。 图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。 、Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。 开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式 、Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。 Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。 LDO的特点： ①非常低的输入输出电压差 ②非常小的内部损耗 ③很小的温度漂移 ④很高的输出电压稳定度 ⑤很好的负载和线性调整率 ⑥很宽的工作温度范围 ⑦较宽的输入电压范围 ⑧外围电路非常简单，使用起来极为方便 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：】 （1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。 （2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。 （3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。 （4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。 DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC。 其中BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：Vo=Vi*D BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：Vo= Vi/(1-D) BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：Vo=(-Vi)* D/（1-D） D为充电占空比，既MOSFET导通时间。0 【转】 BOOST升压电路的电感、电容计算 2011-05-06 23:54 转载自分享 最终编辑kxw102 已知参数： 输入电压：12V --- Vi 输出电压：18V ---Vo 输出电流：1A --- Io 输出纹波：36mV --- Vpp 工作频率：100KHz --- f ***************************************************************** ******* 1：占空比 稳定工作时，每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有 don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),参数带入，don=0.572 2：电感量 先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量 其值为Vi*(1-don)/(f*2*Io)，参数带入，Lx=38.5uH, deltaI=Vi*don/(L*f)，参数带入，deltaI=1.1A 当电感的电感量小于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加变化较明显， 当电感的电感量大于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小，由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响取 L=60uH， deltaI=Vi*don/(L*f),参数带入，deltaI=0.72A， I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI,I2= Io/(1-don)+(1/2)*deltaI， 参数带入，I1=1.2A,I2=1.92A 3：输出电容： 此例中输出电容选择位陶瓷电容，故 ESR可以忽略 C=Io*don/(f*Vpp),参数带入， C=99.5uF，3个33uF/25V陶瓷电容并联 4：磁环及线径： 查找磁环手册选择对应峰值电流I2=1.92A时磁环不饱和的适合磁环Irms^2=(1/3)*(I1^2+I2^2-I1*I2)，参数带入，irms=1.6A 按此电流有效值及工作频率选择线径 其他参数： 电感：L 占空比：don 初始电流：I1 峰值电流：I2 线圈电流：Irms 输出电容：C 电流的变化：deltaI 整流管压降：Vd 图一 boost升压电路,开关直流升压电路（即所谓的boost或者step-up电路）原理2007-09-29 13:28the boost converter,或者叫step-up converter，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。基本电路图见图一。 假定那个开关（三极管或者mos管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路 充电过程 在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）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 图三 如图三，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管截止）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。 说起来升压过程就是一个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，那么在输出端就可以在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。 一些补充：AA电压低,反激升压电路制约功率和效率的瓶颈在开关管,整流管,及其他损耗(含电感上). 1 电感不能用磁体太小的(无法存应有的能量),线径太细的(脉冲电流大,会有线损大). 2 整流管大都用肖特基,大家一样,无特色,在输出3.3V时,整流损耗约百分之十. 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 +-+ - 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。 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 4.3.1Boost 稳压输出 由于本系统中存在两种工作模式，经研究发现，两种工作模式控制方式的不同最终体现在对逆变器的控制上，因此在设计控制算法时，将前级Boost 升压与后级的逆变分开处理，即前级Boost 电路的作用就是保证直流母线电压恒定，为实现该目标，前级Boost 的稳压输出采用经典控制中的PI 控制算法，设计中采用了增量式PI 控制算法，增量式PID 公式为： )2()(211---+-++-=?n n n D n I n n c n e e e K e K e e K P （4-1） 其中K I 为积分系数，K D 为微分系数，本系统只使用了PI 控制，因此微分系数为零，因此整理后的增量式PI 为： n I n n c n e K e e K P +-=?-)(1 （4-2） 为减小超调，提高调节速度，设计时给系统增加了一个前馈环节。因此，本系统PI 控制的公式为： 11)(--++-=?n n I n n c n P e K e e K P （4-3） PI 控制是工业应用非常广泛的控制算法，但是PI 参数的选择是比较令人头痛的事情，大多数在确定参数时采用试凑与经验相结合方式。本设计结合该系统的控制特点，给出了PI 参数范围确定的比较好的试凑方法。下面以Boost 电路为例，通过PI 控制实现电压输出的稳定。 额定输入电压：24V 输入电压：21.6V —28.8V 输出电压：85V 工作频率：15K 控制器：DSP28035 具体选择如下（其中D 为DSP 中设置的升压比）： （1）选取软启动最优工作点 由于Boost 电路在实际带载时，输出电压要低于理论计算值，因此确定最小占空比D 为： 338.0858.28≈=V V D （4-4） 因此在D 初始化时为0.80，软启动过程完成后，D 的值为0.338。 （2）判断控制器的调节精度 DSP 工作频率为15K ，设置的DSP 中PWM 比较器的周期值为1000，因此Boost 电路在调节时的精度为0.001D e ?=，所以Boost 调节的最大误差为（假设此时的D = 0.2）： max 21.621.60.50.20.201 V V e V =-= （4-5） 最小误差为（假设此时的D = 0.28）： min 28.828.80.40.270.271V V e V = -= （4-6） 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 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。 BOOST升压电路中： 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MOS 开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当MOS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砀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； 肖特基二极管主要起隔离作用，即在MOS开关管闭合时，肖特基二极管的正极电压比负极电压低，此时二极管反偏截止，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MOS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！！ 电感升压原理： 什么是电感型升压DC/DC转换器？ 如图1所示为简化的电感型DC-DC转换器电路，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。 电感型升压转换器应用在哪些场合？ 电感型升压转换器的一个主要应用领域是为白光LED供电，该白光LED能为电池供电系统的液晶显示(LCD)面板提供背光。在需要提升电压的通用直流-直流电压稳压器中也可使用。 决定电感型升压的DC-DC转换器输出电压的因素是什么？ 在图2所示的实际电路中，带集成功率MOSFET的IC代替了机械开关，MOSFET的开、关由脉宽调制(PWM)电路控制。输出电压始终由PWM占空比决定，占空比为50%时，输出电压为输入电压的两倍。将电压提高一倍会使输入电流大小达到输出电流的两倍，对实际的有损耗电路，输入电流还要稍高。 电感值如何影响电感型升压转换器的性能？ 因为电感值影响输入和输出纹波电压和电流，所以电感的选择是感性电压转换器设计的关键。等效串联电阻值低的电感，其功率转换效率最佳。要对电感饱和电流额定值进行选择，使其大于电路的稳态电感电流峰值。 电感型升压转换器IC电路输出二极管选择的原则是什么？ 升压转换器要选快速肖特基整流二极管。与普通二极管相比，肖特基二极管正向压降小，使其功耗低并且效率高。肖特基二极管平均电流额定值应大于电路最大输出电压. BOOST升压电路的电感、电容计算 已知参数： 输入电压：12V --- Vi 输出电压：18V ---Vo 输出电流：1A --- Io 输出纹波：36mV --- Vpp 工作频率：100KHz --- f 1：占空比 稳定工作时，每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即 Vi*don/(f*L)=(Vo+Vd-Vi)*(1-don)/(f*L),整理后有 don=(Vo+Vd-Vi)/(Vo+Vd),参数带入，don=0.572 2：电感量 先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量 其值为Vi*(1-don)/(f*2*Io) ，参数带入，Lx=38.5uH, deltaI=Vi*don/(L*f)，参数带入，deltaI=1.1A 当电感的电感量小于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加变化较明显， 当电感的电感量大于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小， 由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响取L=60uH， deltaI=Vi*don/(L*f),参数带入，deltaI=0.72A， I1=Io/(1-don)-(1/2)*deltaI,I2= Io/(1-don)+(1/2)*deltaI， 参数带入，I1=1.2A,I2=1.92A 3：输出电容： 此例中输出电容选择位陶瓷电容，故 ESR可以忽略 C=Io*don/(f*Vpp),参数带入， C=99.5uF，3个33uF/25V陶瓷电容并联 4：磁环及线径： 查找磁环手册选择对应峰值电流I2=1.92A时磁环不饱和的适合磁环Irms^2=(1/3)*(I1^2+I2^2-I1*I2)，参数带入，irms=1.6A 按此电流有效值及工作频率选择线径 其他参数： 电感：L 占空比：don 初始电流：I1 峰值电流：I2 线圈电流：Irms 输出电容：C 电流的变化：deltaI 整流管压降：Vd 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0BOOST电路方案设计
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