開關(guān)直流升壓電源BOOST設(shè)計(jì)

1、摘 要 BOOST 電路,是一種DC-DC直流斬波電路，又稱為升壓型電路。它可以是輸出電壓比輸入電壓高?？梢苑譃槌潆娺^程和放電過程。本次采用matlab仿真分析方法, 可直觀、詳細(xì)的描述BOOST 電路由啟動到達(dá)穩(wěn)態(tài)的工作過程, 并對其中各種現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致深入的分析, 便于我們真正掌握BOOST 電路的工作特性。關(guān)鍵詞：斬波電路、BOOST電路、導(dǎo)通、充電、放電 BOOST circuit is a DC-DC DC chopper circuit, also known as the boost circuit. It can be the output voltage is higher t

2、han the input voltage. Can be divided into a process of charging and discharging processes. The matlab simulation analysis methods can be intuitive and detailed description of the the BOOST circuit from the start to reach a steady-state process of working, and various phenomena in depth analysis for

3、 us to really grasp the operating characteristics of the BOOST circuit. Keywords: chopper circuit, BOOST circuit is turned on, the charging and discharging目 錄前言11.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.電路的工作原理23.參數(shù)的計(jì)算33.1給定參數(shù)33.2計(jì)算L、C33.3 二極管選型44電路的分析45 matlab仿真分析66. 各模塊功能及元器件選型76.1 TL494工作原理76.2 開關(guān)頻率的計(jì)算97.系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖107 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析117

4、.1 比較基準(zhǔn)波形圖117.2 TL494輸出波形127.3輸出紋波波形127.4 電感輸出波形138實(shí)驗(yàn)小結(jié)14參考文獻(xiàn)14前言在非隔離型DC-DC電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路的形式不同，可以分為降壓型電路、降壓型電路、丘克電路、Sepic型電路和Zeta型電路。BOOST電路存在電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)工作模式。在充電過程中，IGBT導(dǎo)通，IGBT處用導(dǎo)線代替。這時輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。在放電過程中，當(dāng)IGBT截止時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給

5、電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。BOOST電路有電路簡單 、電源側(cè)電流波動小的優(yōu)點(diǎn)，同時在開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)占有非常重要的地位, 長期以來廣泛的應(yīng)用于各種電源設(shè)備的設(shè)計(jì)中。對它工作過程的理解掌握關(guān)系到對整個開關(guān)電源領(lǐng)域各種電路工作過程的理解。 1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)需要對一直流電源進(jìn)行直流斬波，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間，來控制最終輸出的電壓。整個系統(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.電路的工作原理Boost電路可稱為升壓斬波電路，假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本

6、恒定為I1,同時C上的電壓向負(fù)載R供電，因?yàn)镃也很大，基本保持輸出電壓為恒值U0.設(shè)V通態(tài)時間為ton ,此階段L積蓄能量為 E I1ton 。當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)時間為toff,則這期間電感L釋放能量為（U0-E）I1toff.一周期T中，電感L積蓄的能量和釋放的能量相等，即 E I1 ton =（U0-E）I1toff化簡得： U0=T/ toff E輸出電壓高于電源電壓。電路結(jié)構(gòu)如下圖2圖2 BOOST電路的結(jié)構(gòu)3.參數(shù)的計(jì)算3.1給定參數(shù)1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在8-18V之間。3）輸出直流電壓10-25V

7、，輸出電壓相對變化量小于2%。4）輸出電流1A。5）采用脈寬調(diào)制PWM電路控制。3.2計(jì)算L、C由Boost的伏秒平衡，可得：又根據(jù)能量守恒，可得： (為CCM Boost電感的電流中心值) 當(dāng)輸出最小負(fù)載，即，也就是Boost處于臨界狀態(tài)，可得：取=22V,D=0.45L= 經(jīng)實(shí)際測量L取200uh,根據(jù)n=5.2, 選用綠色環(huán)形電感，繞N=6圈3.3 二極管選型根據(jù)系統(tǒng)最大電流1.5A，可選取最大允許通過電流2A的二極管，本系統(tǒng)主要選擇FR207。4電路的分析BOOST 電路的工作模式分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。其中電流連續(xù)模式的電路工作狀態(tài)如圖4-1 所示, V處于通

8、態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i1，得下式 （1） 式中R為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得 （2） 當(dāng)V處于斷態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i2，得下式： （3） 設(shè)i2的初值為I20，解上式得： （4） 圖4-1電流斷續(xù)升壓斬波電路波形圖 4-2電流連續(xù)升壓斬波電路波形當(dāng)電流連續(xù)時，從圖4-2的電流波形可看出，t=ton時刻i1=I20，t=toff時刻i2=I10，由此可得： （5） （6） 把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得 （7） 該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即 （8） 對電流斷續(xù)工作狀態(tài)的進(jìn)一步分析可得出：電流連續(xù)的條件為 （9） 根據(jù)此式可對電路的

9、工作狀態(tài)作出判斷。5 matlab仿真分析matlab 是一種功能強(qiáng)大的仿真軟件, 它可以進(jìn)行各種各樣的模擬電路和數(shù)字電路仿真，并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出, 無論對哪種器件和哪種電路進(jìn)行仿真, 均可以得到精確的仿真結(jié)果。本文應(yīng)用基于matlab軟件對BOO ST 電路仿真, 仿真圖如圖3 所示, 其中IGBT作為開關(guān), 以脈沖發(fā)生器脈沖周期T=0.2ms,脈沖寬度為50%的通斷來仿真圖5 中開關(guān)S的通斷過程。圖5 BOOST 電路的PSpice 模型6. 各模塊功能及元器件選型6.1 TL494工作原理TL494的說明：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，

10、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（一個電阻一個電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)置5V參考電壓源?？烧{(diào)死區(qū)時間。內(nèi)置功率晶體管可提供500MA的驅(qū)動能力。推或拉兩種方式。 TL494引腳圖如圖6-1所示：圖6-1 TL494引腳分布圖TL494是一個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，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓

11、與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實(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)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖6-2。圖6-2 TL494控制器時序波形圖控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有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，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時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)時間。6.2 開

12、關(guān)頻率的計(jì)算TL494是一個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，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：系統(tǒng)采用RC振蕩器參數(shù)值分別為R=10K，C=4700PF，通過上式計(jì)算得，f=19.3K。TL494的閉環(huán)調(diào)節(jié)，如圖6-3所示，TL494的IN2通道與feedback引腳構(gòu)成一個閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。圖6-3 TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)7.系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示：圖7 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖7 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析7.1 比較基準(zhǔn)波形圖TL494的5、6號腳與外圍電阻電容構(gòu)成一個RC振蕩器，為系統(tǒng)提供了比較基準(zhǔn)源，其波形如圖7-1所示：圖7-1 比較基

13、準(zhǔn)波形圖7.2 TL494輸出波形TL494的9、10號腳的輸出波形為驅(qū)動MOS開關(guān)管波形，如圖7-2所示：圖7-2 MOS驅(qū)動波形7.3輸出紋波波形由于Boost電路中的開關(guān)管的開斷以及電感電容的充放電，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出有較大的紋波，根據(jù)設(shè)置的電容值大小，最后輸出的紋波波形，測試時示波器采用交流擋測試，所測試的波形如圖7-3所示：圖7-3 輸出紋波波形7.4 電感輸出波形當(dāng)開關(guān)管開通和關(guān)斷過程中，電感處的輸出波形與輸入波形有很大的區(qū)別，輸入波形為系統(tǒng)電源輸入波形，為直流波形。其波形如圖7-4所示：圖7-4 電感輸出波形8實(shí)驗(yàn)小結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，對開關(guān)電源相關(guān)的基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的理解更加的深刻

14、和透徹，從系統(tǒng)的角度學(xué)習(xí)BOOST電路的構(gòu)成、參數(shù)的計(jì)算，并結(jié)合了MATLAB仿真軟件獲得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。充分了解了如何用Matlab在電氣方面建模，也對Matlab這個軟件有了更加深入的了解。知道了此軟件功能相當(dāng)強(qiáng)大，以后要更加深入地學(xué)習(xí)。在此次硬件仿真中，我對示波器的適用方法有了更深層次的了解，并能更加熟練地操作示波器，對Boost斬波電路也有了一個實(shí)踐意義上的理解。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我對電焊的精細(xì)達(dá)到更高的要求，不僅要完成課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)，還要做的漂亮，美觀。我們學(xué)到了很多實(shí)用的知識，同時也發(fā)現(xiàn)自身對專業(yè)知識掌握的不夠。再次感謝胡老師細(xì)心的講解和耐心的指導(dǎo)，同時感謝幫助過我的同學(xué)，因?yàn)槟銈兇舜握n

15、程設(shè)計(jì)得以順利完成。參考文獻(xiàn)1 Pekik ADahono，Slamet Riyadi，Ahmad Mudawari，Yanuarsyah HaroenOutput Ripple Analysis of Multiphase DC-DC Converterin Proc1EEEPowerElectronicsandDriveSystemsConf，Hongkong，China，July 1999，PP626-6312 王兆安.電力電子技術(shù)M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.20113 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程.北京.高等教育出版社.20104 石玉等.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19985 鄧北川，淺談模擬PID電路學(xué)習(xí)與識別，西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2007電力電子裝置設(shè)計(jì)與制課程設(shè)計(jì)成績評定表姓 名 學(xué)號專業(yè)班級課程設(shè)計(jì)題目：開關(guān)直流升壓電源(BOOST)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯記錄：1） 升壓電路為什么不應(yīng)空載？答：電感電流斷續(xù)時，總是有>/（1-D