開關(guān)直流升壓電源(BOOST)設(shè)計(jì)

湖北理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告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：13級電氣工程及其自動(dòng)化（專升本）班學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：南光群張智泉設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年11月24日——12月5日設(shè)計(jì)地點(diǎn)：K2-306及K2-414實(shí)驗(yàn)室開關(guān)電源裝置設(shè)計(jì)與制作報(bào)告成績評定表姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級題目：開關(guān)直流升壓電源11-16V(BOOST)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(shí)，總是有>/（1-D），且負(fù)載電流越小，越高。輸出空載時(shí)，→，故升壓電路不應(yīng)空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓造成電路中元器件的燒壞。2） 電感電流在斷續(xù)工作模式-時(shí)段的狀態(tài)？答：電路處于開關(guān)狀態(tài)3，電感電流減小到零，二極管VD截至，電感電流保持零值，并且電感兩端的電壓也為零，直到開關(guān)S再次開通，下個(gè)開關(guān)周期開始。成績評定及依據(jù)：考勤情況（20%）：實(shí)物制作（30%）：設(shè)計(jì)答辯（20%）：設(shè)計(jì)報(bào)告（完成情況、報(bào)告規(guī)范性等情況30%）：最終評定成績（以分?jǐn)?shù)和優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）：指導(dǎo)教師簽字：《電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2014～2015學(xué)年第一學(xué)期學(xué)生姓名：專業(yè)班級：13級電氣工程及其自動(dòng)化（專升本）班指導(dǎo)教師：張智泉南光群工作部門：電氣與電子信息工程學(xué)院一、課程設(shè)計(jì)題目：電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作二、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。設(shè)計(jì)題目選：題目二：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8-18V之間。

3）輸出直流電壓10-25V，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。三、進(jìn)度安排序號(hào)名稱時(shí)間1下發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)書，布置設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)時(shí)間安排。一天2掌握鋸齒波產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、控制電路的工作原理一天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細(xì)連接圖一天5學(xué)會(huì)借用電子線路CAD正確繪制電路圖；一天6掌握焊接技術(shù)以及MOSFET、二極管、三極管等器件的檢測方法半天7掌握電路的安裝與調(diào)試一天8根據(jù)直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設(shè)計(jì)電路圖一天9了解電子電路板的制作過程半天10學(xué)習(xí)電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半天11掌握穩(wěn)壓開關(guān)電源的檢測與調(diào)試一天12書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告一天四、基本要求1、獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖各部分電路的設(shè)計(jì)；2、制作硬件實(shí)物，演示設(shè)計(jì)與調(diào)試的結(jié)果。3、寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。內(nèi)容包括電路圖、工作原理、實(shí)際測量波形、調(diào)試分析、測量精度、結(jié)論和體會(huì)。4、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告：不少于3000字，統(tǒng)一復(fù)印封面并用Ａ4紙寫出報(bào)告。eq\o\ac(○,1)封面、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書eq\o\ac(○,2)摘要，關(guān)鍵詞（中英文）eq\o\ac(○,3)方案選擇，方案論證eq\o\ac(○,4)系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）eq\o\ac(○,5)各模塊的功能，原理，器件選擇eq\o\ac(○,6)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析eq\o\ac(○,7)設(shè)計(jì)小結(jié)eq\o\ac(○,8)附錄參考文獻(xiàn)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、C 33.3二極管選型 44．電路的分析 45．matlab仿真分析 66.各模塊功能及元器件選型 76.1TL494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 108、設(shè)計(jì)結(jié)果與分析 118.1比較基準(zhǔn)波形圖 118.2TL494輸出波形 128.3輸出紋波波形 128.4電感輸出波形 139實(shí)驗(yàn)小結(jié) 14參考文獻(xiàn) 14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。可以分為充電過程和放電過程。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(dòng)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BOOSTcircuitisaDC-DCDCchoppercircuit,alsoknownastheboostcircuit.Itcanbetheoutputvoltageishigherthantheinputvoltage.Canbedividedintoaprocessofcharginganddischargingprocesses.ThematlabsimulationanalysismethodscanbeintuitiveanddetaileddescriptionofthetheBOOSTcircuitfromthestarttoreachasteady-stateprocessofworking,andvariousphenomenaindepthanalysisforustoreallygrasptheoperatingcharacteristicsoftheBOOSTcircuit.Keywords:choppercircuit,BOOSTcircuitisturnedon,thecharginganddischarging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(shí)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(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。BOOST電路有電路簡單、電源側(cè)電流波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(gè)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(shí)間，來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、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(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1,同時(shí)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(shí)間為ton,此階段L積蓄能量為EI1ton。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)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(shí)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

EI1ton=（U0-E）I1toff化簡得：U0=T/toffE輸出電壓高于電源電壓。電路結(jié)構(gòu)如下圖2

圖2BOOST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，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：………………=1\*GB3①又根據(jù)能量守恒，可得：(為CCMBoost電感的電流中心值)………………=2\*GB3②當(dāng)輸出最小負(fù)載，即，也就是Boost處于臨界狀態(tài)，可得：………………=3\*GB3③………………=4\*GB3④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處于通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)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(shí)，設(shè)電動(dòng)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(shí)，從圖4-2的電流波形可看出，t=ton時(shí)刻i1=I20，t=toff時(shí)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(shí)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BOOST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5BOOST電路的PSpice模型6、各模塊功能及元器件選型6.1TL494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，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(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6-1所示：圖6-1TL494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：輸出脈沖的寬度是通過電容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6-2。圖6-2TL494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0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。6.2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：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(gè)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。圖6-3TL494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8、設(shè)計(jì)結(jié)果與分析8.1比較基準(zhǔn)波形圖TL494的5、6號(hào)腳與外圍電阻電容構(gòu)成一個(gè)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比較基準(zhǔn)波形圖8.2TL494輸出波形TL494的9、10號(hào)腳的輸出波形為驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管波形，如圖7-2所示：圖7-2MOS驅(qū)動(dòng)波形8.3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(shí)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