DCDC變換器設(shè)計(jì)總結(jié)

1、湖北工業(yè)大學(xué) DC-DC變換器設(shè)計(jì)論文院 系 班 級(jí) 指導(dǎo)老師 組 別 組 員 二一六 年 一 月 十五 日前言 直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車輛的無級(jí)變速及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車的控制，從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。由于變壓器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/D

2、C Converter），直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況。直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路,一方面，這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，熟用這兩種電路可為理解其他斬波電路打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。升壓直流電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的

3、變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。升壓斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)。PMW控制方式是目前采用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成控制芯片，這種芯片只需要外接少量元器件就可以工作，這不但簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)。 所以，此次課題設(shè)計(jì)選題為設(shè)計(jì)使用全控型器件為MOSFET的升壓斬波電路，主要討論升壓斬波主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的原理和設(shè)計(jì)。目錄一、設(shè)計(jì)要求以及小組工作分配 6二、設(shè)計(jì)方案分析72.1全控型器件MOSFET管的介紹7 2.

4、2、DC-DC升壓斬波電路的工作原理92.3、斬波電路輸入輸出電壓的關(guān)系 102.4、DC-DC升壓斬波電路穩(wěn)壓原理11三、主要單元電路設(shè)計(jì)123.1、控制電路原理與設(shè)計(jì)123.2、驅(qū)動(dòng)電路原理與設(shè)計(jì)133.3、保護(hù)電路原理與設(shè)計(jì)153.4、PIC16f887單片機(jī)介紹16四、總電路設(shè)計(jì)與調(diào)試195、 附錄23 6、 總結(jié)26七、致謝131、 設(shè)計(jì)要求以及小組工作分配 1. 數(shù)字控制的DC-DC變換器 如下圖，設(shè)計(jì)一個(gè)DC-DC變換電路:DC-DCI1I2UiUo+_+_要求與提示：1、當(dāng)輸入電壓Ui 在1015V變化時(shí)，輸出電壓Uo=20V不變，Uo穩(wěn)態(tài)相對(duì)誤差不超過2%，即恒壓輸出；2、輸

5、出負(fù)載電流I2范圍01A;3、試計(jì)算電源效率4、主電路可以采用boost電路（升壓電路），控制電路可以采用 PIC16F8872.組員任務(wù)分配1、查詢資料2、電路設(shè)計(jì)3、參數(shù)計(jì)算4、PIC編程學(xué)習(xí)5、仿真學(xué)習(xí)6、焊制電路板二、設(shè)計(jì)方案分析1. 全控型器件MOSFET管的介紹1.1 簡(jiǎn)單介紹MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕

6、緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor-SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。 功率MOSFET的種類：按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零

7、時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。 1.2 功率MOSFET的結(jié)構(gòu) 功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖6所示；其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 圖6 MOSFET的結(jié)構(gòu)與電氣圖形符號(hào) 1.3 功率MOSFET的工作原理 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過

8、。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。2. 升壓斬波電路原理 升壓直流變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖1-2所示。 電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻

9、斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時(shí)間為，此階段L上積蓄的能量為E。V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為： 穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 化簡(jiǎn)得： 上式中，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： 因此，式（1-2）可表示為： 升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:

10、一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。3. DC-DC升壓斬波電路輸入、輸出電壓的關(guān)系 由直流斬波電路的原理可知 輸入電壓為輸入直流電壓范圍：10V15V，要求輸出直流電壓：20V。所以只要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管MOSFET關(guān)斷的時(shí)間和開通的時(shí)間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計(jì)算得： 4.DC-DC升壓斬波電路穩(wěn)壓原理在如下圖所示的結(jié)

11、構(gòu)框圖中，控制電路用來產(chǎn)生MOSFET降壓斬波電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在MOSFET控制端與公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷來控制MOSFET降壓斬波電路工作。用單片機(jī)輸出PWM方波（經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后）控制MOS管的開關(guān)，來調(diào)節(jié)輸出電壓。將輸出電壓送回PIC單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過反饋調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)電壓，使輸出穩(wěn)定?？刂齐娐分斜Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)電路，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓現(xiàn)象而損壞電路設(shè)備?？刂齐娐夫?qū)動(dòng)電路主電路3、 主要電路設(shè)計(jì)1、主電路設(shè)計(jì)，升壓斬波主電路前面已經(jīng)提到過，這里直接給出電路

12、圖2、 控制電路設(shè)計(jì) 控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM波信號(hào)，用于控制斬波電路主要功率器件MOSFET的通斷，通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓的大小穩(wěn)定。3、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個(gè)功能：(1) 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使電力MOSFE 管可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護(hù)能力。而電力MOSFET 是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此

13、它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率?。坏诙€(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快、工作頻率高。但是電力MOSFET電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10Kw 的電力電子裝置。在功率變換裝置中,根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式.美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、驅(qū)動(dòng)要求及電力MOSFET 管開關(guān)特性,選擇如下電路來完成4、保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt也是必須的。抑制過電壓

14、的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。 對(duì)于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場(chǎng)合。所以我們選用用儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護(hù)。使用RC吸收電路，這種保護(hù)可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動(dòng)。保護(hù)電路如圖所示。除此之外還有其他的保護(hù)裝置，如下：一、防止陽極電壓上升率過高保護(hù)在保護(hù)電路中串聯(lián)接入適當(dāng)?shù)碾姼屑纯善鸬椒乐龟枠O電壓上升率過高的保護(hù)。二、晶閘管的過電壓保護(hù)晶

15、閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會(huì)造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會(huì)損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡(jiǎn)單有效的過電壓保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)。三、晶閘管的過電流保護(hù)常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器保護(hù)，直流快速開關(guān)過電流保護(hù)?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo(hù)是最有效的保護(hù)措施；過電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)（只有在短路電流不大時(shí)才有用）直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價(jià)高，體積大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔斷器保

16、護(hù)。5、 PIC16f887單片機(jī)簡(jiǎn)單介紹5.1引腳圖5.2 A/D 轉(zhuǎn)換步驟如下步驟給出了使用 ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的示例：1） 端口配置： 禁止引腳輸出驅(qū)動(dòng)器 （見 TRIS 寄存器） 將引腳配置為模擬輸入引腳2） 配置 ADC 模塊： 選擇 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘 配置參考電壓 選擇 ADC 輸入通道 選擇結(jié)果的格式 啟動(dòng) ADC 模塊3） 配置 ADC 中斷 （可選） ： 清零 ADC 中斷標(biāo)志位 允許 ADC 中斷 允許外設(shè)中斷 允許全局中斷 (1)4） 等待所需的采集時(shí)間 (2)。5） 將 GO/DONE 置 1 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。6） 由如下方法之一等待 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束： 查詢 GO/DON

17、E 位 等待 ADC 中斷 （允許中斷）7） 讀 ADC 結(jié)果8) 將 ADC 中斷標(biāo)志位清零 5.3 PWM 模式PWM模式在CCPx引腳上產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。 由以下寄存器確定占空比、周期和分辨率： PR2 T2CON CCPRxL CCPxCON在脈寬調(diào)制（ PWM）模式下， CCP 模塊可在 CCPx 引腳上輸出分辨率高達(dá) 10 位的 PWM 信號(hào)。由于 CCPx引腳與端口數(shù)據(jù)鎖存器復(fù)用，必須清零相應(yīng)的 TRIS 位,才能使能 CCPx 引腳的輸出驅(qū)動(dòng)器。4、 總電路設(shè)計(jì)以及仿真結(jié)果圖示1、總電路圖 2、仿真結(jié)果 在本次的設(shè)計(jì)中，采用了protues軟件作為仿真工具來進(jìn)行電路的模擬.Pr

18、oteus軟件具有智能原理圖設(shè)計(jì)和電路仿真功能，其中有超過27000種元器件的豐富的器件庫，可方便地創(chuàng)建新元件，可以通過模糊搜索智能快速定位所需要的器件；還能自動(dòng)連線功能使連接導(dǎo)線簡(jiǎn)單快捷，大大縮短繪圖時(shí)間；使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明清晰；在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件，就可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。仿真結(jié)果如下五、附錄1、電路元器件清單 序號(hào)元器件型號(hào)備注12345678910112、整個(gè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1 周克寧.電力電子技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20042 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20

19、093 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20014 王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用M. 南京：東南大學(xué)出版社，19995 葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置M. 北京：鐵道出版社，19996 周志敏,周紀(jì)海等.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用M. 北京：人民郵電出版社,2005六、總結(jié) 此次課程設(shè)計(jì)的過程,我們感慨很多。從理論到實(shí)踐，在課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間，我們遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力。從最初拿到題目時(shí)，感覺應(yīng)該很簡(jiǎn)單，因?yàn)橹绷鲾夭娐肥俏覀兘衲陮W(xué)習(xí)了的一門主修課

20、電力電子技術(shù)課程里面的內(nèi)容，并且我們今年還選修了單片機(jī)課程。可到真正動(dòng)手去做的時(shí)候，真的覺得理想與現(xiàn)實(shí)的差距挺大。因?yàn)樵谧约旱闹R(shí)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)的大部分都是理論知識(shí)，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠書本上的知識(shí)根本解決不了，除了升壓斬波電路的主電路模塊之外，MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路課本只是淺顯地介紹了并沒有細(xì)講其中原理方面。在單片機(jī)模塊我們的課程主要講了8051單片機(jī)的系列編程，匯編語言我們學(xué)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，PIC系列單片機(jī)之前沒有接觸過，只有去圖書館借這方面的書籍?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)不錯(cuò)的工具，有些不懂的或是書本上沒有的，也可以在網(wǎng)絡(luò)上查詢。所以這次課程設(shè)計(jì)我們獲取資料的知識(shí)來源很廣，在此過

21、程中也學(xué)到了很多課本上沒有的知識(shí)，豐富了自己的理論知識(shí)，還拓寬了解決問題的方法，感覺特別充實(shí)。在做這次課程設(shè)計(jì)的過程中學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過這次課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。其中就我們小組在制作設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和困難作如下總結(jié)：1） 由于之前審題不嚴(yán)謹(jǐn)，沒有意識(shí)到DC-DC升壓斬波變換器的總體電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在各個(gè)電路原理理解和選擇上消耗了許多時(shí)間，在PIC16f887單片機(jī)學(xué)習(xí)上也遇到了困難。2） 由于事先理論知識(shí)預(yù)習(xí)的不夠充分，所以在很

22、多元器件參數(shù)計(jì)算問題方面困難重重，再次花費(fèi)大量時(shí)間去研究，造成實(shí)驗(yàn)進(jìn)度大大減速，效率降低。3） 在選取實(shí)驗(yàn)元器件時(shí)，由于缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，常常出現(xiàn)用錯(cuò)元器件，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差很大。而且由于對(duì)元器件的不熟悉運(yùn)用，在藍(lán)電缺乏我們所需元器件時(shí)，我們不知道如何去處理解決。 4） 在用Protues和MPLAB軟件仿真上遇到了許多操作上的問題，需要花費(fèi)時(shí)間去看網(wǎng)上使用教程，重新學(xué)習(xí)軟件仿真，致使仿真花了很多時(shí)間才達(dá)到有效效果。5） 在電路板制作過程中，我們電路 PCB圖的布局不太熟悉，我們最終選擇了多功能電路板進(jìn)行電路的焊接。由于直接有過焊接電路板的經(jīng)驗(yàn)，所以我們焊接方面的主要問題是多功能電路板大小有限，在整個(gè)電路布線時(shí)有飛線困難。在解決以上問題我們所作出的努力與解決困難的方法：1）在電路設(shè)計(jì)方面，我們將各個(gè)模塊電路進(jìn)行分工，有的組員專門負(fù)責(zé)主電路模塊，有的組員專門負(fù)