開關(guān)電源課程設(shè)計(jì).doc

電氣與電子信息工程學(xué)院電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)報(bào)告課設(shè)名稱：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計(jì)專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 課設(shè)時(shí)間： 課設(shè)地點(diǎn)： 電氣與電子信息工程學(xué)院電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作部門： 1、 課程設(shè)計(jì)題目：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計(jì)2、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在Protel或OrCAD軟件上進(jìn)行原理圖繪制；滿足設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行硬件制作和調(diào)試。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則修改設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。題目：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在11-12V之間。3）輸出直流電壓17V，輸出電壓紋波小于2%。4）輸出電流1A。 5）采用脈寬調(diào)制PWM電路控制。目錄摘要5第一章 方案選擇和方案論證71.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)72.方案論證7第二章 主電路計(jì)算和器件選擇81.設(shè)計(jì)要求82.選擇開關(guān)管的頻率83.占空比計(jì)算84.電感的計(jì)算(按D=35.29%)85.電容的計(jì)算86.電感峰值電流的計(jì)算(按D=35.29%)87.開關(guān)管的選擇88.開關(guān)損耗的計(jì)算(按D=35.29%)99.二極管的選擇910.電阻的計(jì)算9第三章 系統(tǒng)功能及原理101.系統(tǒng)功能102. boost電路工作原理10第四章 各模塊的功能和原理131. TL494工作原理13 2. 開關(guān)頻率的計(jì)算13 第五章 MATLAB仿真151.仿真原理圖152.仿真結(jié)果153.仿真結(jié)果分析16第六章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析171.實(shí)驗(yàn)結(jié)果172.結(jié)果分析17第七章 硬件電路181.焊接電路主電路圖182.焊接電路控制電路圖183.焊接實(shí)物圖19第八章 總結(jié)20參考文獻(xiàn)20摘要提高轉(zhuǎn)換器(升壓轉(zhuǎn)換器)是一個(gè)DC-to-DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大于輸入電壓。它是一個(gè)類的開關(guān)電源(smp)至少含有兩個(gè)半導(dǎo)體(二極管和晶體管)和至少一個(gè)儲(chǔ)能元件,電容,電感器,或兩者的組合。過(guò)濾器由電容器(有時(shí)結(jié)合電感)通常添加到轉(zhuǎn)換器的輸出,以減少輸出電壓紋波。提高轉(zhuǎn)換器的基本原理。開關(guān)通常是一個(gè)MOSFET、IGBT或者是機(jī)器。概述電壓的提高轉(zhuǎn)換器可以來(lái)自任何合適的直流源,如電池、太陽(yáng)能電池板、整流器和直流發(fā)電機(jī)。這一過(guò)程變化一個(gè)直流電壓不同的直流電壓稱為直流直流轉(zhuǎn)換。提高轉(zhuǎn)換器是一個(gè)直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大于源電壓。提高轉(zhuǎn)爐有時(shí)被稱為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樗安襟E”源電壓。自(P=VI)必須節(jié)約用電,輸出電流低于源電流。歷史為了效率高,smp開關(guān)必須打開或關(guān)閉快速和較低的損失。的出現(xiàn),一個(gè)商業(yè)半導(dǎo)體開關(guān)在1950年代代表一個(gè)重要的里程碑,讓smp如boost變換器成為可能。直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器主要是在1960年代早期,當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)已經(jīng)變得可用。航空航天工業(yè)需要小,重量輕,高效的電力轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換器的快速發(fā)展。切換系統(tǒng)如smp設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),因?yàn)樗麄兊哪Ｐ鸵蕾囉谝粋€(gè)開關(guān)是否打開或關(guān)閉。rd麥德布魯克從加州理工學(xué)院在1977年出版的今天使用的模型直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器。麥德布魯克平均每個(gè)開關(guān)狀態(tài)的電路配置狀態(tài)空間平均技術(shù)。這簡(jiǎn)化了兩個(gè)系統(tǒng)。新模型導(dǎo)致深刻的設(shè)計(jì)方程,幫助smp的增長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：斬波電路、BOOST電路A boost converter (step-up converter) is a DC-to-DC power converter with an output voltage greater than its input voltage. It is a class of switched-mode power supply (SMPS) containing at least two semiconductors (a diode and a transistor) and at least one energy storage element, a capacitor, inductor, or the two in combination. Filters made of capacitors (sometimes in combination with inductors) are normally added to the output of the converter to reduce output voltage ripple.The basic schematic of a boost converter. The switch is typically a MOSFET, IGBT, or BJT.OverviewPower for the boost converter can come from any suitable DC sources, such as batteries, solar panels, rectifiers and DC generators. A process that changes one DC voltage to a different DC voltage is called DC to DC conversion. A boost converter is a DC to DC converter with an output voltage greater than the source voltage. A boost converter is sometimes called a step-up converter since it “steps up” the source voltage. Since power () must be conserved, the output current is lower than the source current.HistoryFor high efficiency, the SMPS switch must turn on and off quickly and have low losses. The advent of a commercial semiconductor switch in the 1950s represented a major milestone that made SMPSs such as the boost converter possible. The major DC to DC converters were developed in the early 1960s when semiconductor switches had become available. The aerospace industrys need for small, lightweight, and efficient power converters led to the converters rapid development.Switched systems such as SMPS are a challenge to design since their models depend on whether a switch is opened or closed. R. D. Middlebrook from Caltech in 1977 published the models for DC to DC converters used today. Middlebrook averaged the circuit configurations for each switch state in a technique called state-space averaging. This simplification reduced two systems into one. The new model led to insightful design equations which helped the growth of SMPS.第一章 方案選擇和方案論證1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制需要對(duì)一直流電源進(jìn)行直流斬波，通過(guò)控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，來(lái)控制最終輸出的電壓。整個(gè)系統(tǒng)包括BOOST主電路、閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊、電壓反饋模塊。系統(tǒng)方框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)方框圖2.方案論證 閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出電壓由給定電壓決定，當(dāng)給定電壓與反饋電壓不相等時(shí)積分電容就不斷地沖放電改變電壓調(diào)節(jié)器的輸出從而改變可輸出的PWM波的占空比進(jìn)而改變輸出電壓的大小，方案可行。第二章 主電路計(jì)算和器件選擇1.設(shè)計(jì)要求1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在11-12V之間。3）輸出直流電壓17V，輸出電壓相對(duì)變化量小于2%。4）輸出電流1A。5）采用脈寬調(diào)制PWM電路控制。2.選擇開關(guān)管的頻率本設(shè)計(jì)選擇20KHz的開關(guān)管3.占空比計(jì)算 （3-1）得D=29.41%-35.29%4.電感的計(jì)算(按D=35.29%) （3-2）取5.電容的計(jì)算 （3-3）取6.電感峰值電流的計(jì)算(按D=35.29%) (3-4)7.開關(guān)管的選擇Mosfet開關(guān)損耗小，開關(guān)速度快，所以適用于高頻切換的場(chǎng)合；IGBT導(dǎo)通壓降低，耐壓高，所以適用于高壓大功率場(chǎng)合。一般而言，IGBT的正壓驅(qū)動(dòng)在15V左右，而Mosfet 建議在1012V左右。所以從功耗的角度來(lái)說(shuō)，選擇Mosfet。Mosfet的型號(hào)為IFR540N, IFR540N的極限電壓為100V，極限電流為27A，功率為120W，導(dǎo)通電阻為,滿足設(shè)計(jì)條件。8.開關(guān)損耗的計(jì)算(按D=35.29%) (3-5) (3-6)9.二極管的選擇選擇FR602, FR602的最大反向電壓為100V，最大正向電流為6A,滿足條件。10.電阻的計(jì)算 (3-7)第三章 系統(tǒng)功能及原理1.系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)輸入為1112V，輸出升高到為17V，本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制通過(guò)給定電壓來(lái)決定輸出電壓。給定信號(hào)電壓調(diào)節(jié)器PWM驅(qū)動(dòng)電路Boost電路輸出電壓反饋信號(hào)-圖 3-1 系統(tǒng)框圖給定信號(hào)決定輸出，反饋信號(hào)反饋信息，當(dāng)給定不等于反饋時(shí)電流調(diào)節(jié)器的積分電容就開始充放電來(lái)改變輸出電壓的大小從而改變PWM波發(fā)生電路產(chǎn)生的PWM波的占空比，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)mosfet，boost電路實(shí)現(xiàn)升壓。2. boost電路工作原理boost升壓電路是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以是輸出電壓比輸入電壓高。 基本電路圖見圖一： 圖3-2 boost電路原理圖假定那個(gè)開關(guān)（三極管或者mos管）已經(jīng)斷開了很長(zhǎng)時(shí)間，所有的元件都處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓。 下面要分充電和放電兩個(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路 充電過(guò)程 在充電過(guò)程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。 放電過(guò)程 當(dāng)開關(guān)斷開（三極管截止）時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。 說(shuō)起來(lái)升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。 如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。 如果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。第四章 各模塊的功能和原理1. TL494工作原理 TL494的說(shuō)明：TL494是 一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻一個(gè)電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)置5V參考電壓源。可調(diào)死區(qū)時(shí)間。內(nèi)置功率晶體管可提供500MA的驅(qū)動(dòng)能力。推或拉兩種方式。 TL494引腳圖如圖4-1所示： 圖4-1 TL494引腳分布圖TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下： (4-1)輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖4-2。 圖4-2 TL494控制器時(shí)序波形圖控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在03.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。 2. 開關(guān)頻率的計(jì)算 TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下： TL494的閉環(huán)調(diào)節(jié)，如圖4-3所示，TL494的IN2通道與feedback引腳構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。 圖4-3 TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)第五章 MATLAB仿真1.仿真原理圖圖 5-1仿真原理圖2.仿真結(jié)果圖 5-2仿真結(jié)果1圖5-3仿真結(jié)果23.仿真結(jié)果分析輸出電壓乘以后作為反饋信號(hào)，因此如果輸出是17V那么反饋信號(hào)就是1.7V因此給定信號(hào)為1.7V是就能讓輸出穩(wěn)定在17V，由輸出信號(hào)和反饋信號(hào)共同決定占空比，因?yàn)樗且粋€(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，給定信號(hào)和反饋信號(hào)決定這PI調(diào)節(jié)器的輸出，用于觸發(fā)晶閘管的矩形波就是由三角波發(fā)生器和PI調(diào)節(jié)器的輸出共同決定。第六章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 6-1實(shí)