开关直流升压电源(BOOST)设计.docx

开关直流升压电源(BOOST)设计.docx

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摘要

BOOST电路,是一种DC-DC直流斩波电路，又称为升压型电路。

它可以是输出电压比输入电压高。

可以分为充电过程和放电过程。

本次采用matlab仿真分析方法,可直观、详细的描述BOOST电路由启动到达稳态的工作过程,并对其中各种现象进行细致深入的分析,便于我们真正掌握BOOST电路的工作特性。

关键词：

斩波电路、BOOST电路、导通、充电、放电

BOOSTcircuitisaDC-DCDCchoppercircuit,alsoknownastheboostcircuit.Itcanbetheoutputvoltageishigherthantheinputvoltage.Canbedividedintoaprocessofcharginganddischargingprocesses.ThematlabsimulationanalysismethodscanbeintuitiveanddetaileddescriptionofthetheBOOSTcircuitfromthestarttoreachasteady-stateprocessofworking,andvariousphenomenaindepthanalysisforustoreallygrasptheoperatingcharacteristicsoftheBOOSTcircuit.

Keywords:

choppercircuit,BOOSTcircuitisturnedon,thecharginganddischarging

目录

前言 1

1.系统方案设计 2

2.电路的工作原理 2

3.参数的计算 3

3.1给定参数 3

3.2计算L、C 3

3.3二极管选型 4

4．电路的分析 4

5．matlab仿真分析 6

6.各模块功能及元器件选型 7

6.1TL494工作原理 7

6.2开关频率的计算 9

7.系统总设计原理图 10

7设计结果与分析 11

7.1比较基准波形图 11

7.2TL494输出波形 12

7.3输出纹波波形 12

7.4电感输出波形 13

8实验小结 14

参考文献 14

电气与电子信息工程学院开关电源课程设计

前言

在非隔离型DC-DC电路即各种直流斩波电路，根据电路的形式不同，可以分为降压型电路、降压型电路、丘克电路、Sepic型电路和Zeta型电路。

BOOST电路存在电感电流连续和电感电流断续工作模式。

在充电过程中，IGBT导通，IGBT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。

在放电过程中，当IGBT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。

BOOST电路有电路简单、电源侧电流波动小的优点，同时在开关电源领域内占有非常重要的地位,长期以来广泛的应用于各种电源设备的设计中。

对它工作过程的理解掌握关系到对整个开关电源领域各种电路工作过程的理解。

1.系统方案设计

本系统需要对一直流电源进行直流斩波，通过控制开关管的导通时间，来控制最终输出的电压。

整个系统包括BOOST主电路、闭环调节模块、电压反馈模块。

系统方框图如图1所示：

图1系统方框图

2.电路的工作原理

Boost电路可称为升压斩波电路，假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1,同时C上的电压向负载R供电，因为C也很大，基本保持输出电压为恒值U0.设V通态时间为ton,此阶段L积蓄能量为EI1ton。

当V处于断态时E和L共同向C充电，并向负载R提供能量。

设V处于断态时间为toff,则这期间电感L释放能量为（U0-E）I1toff.一周期T中，电感L积蓄的能量和释放的能量相等，即

EI1ton=（U0-E）I1toff

化简得：

U0=T/toffE

输出电压高于电源电压。

电路结构如下图2

图2BOOST电路的结构

3.参数的计算

3.1给定参数

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。

3.2计算L、C

由Boost的伏秒平衡，可得：

………………………………………………………………①

又根据能量守恒，可得：

（为CCMBoost电感的电流中心值）………………②

当输出最小负载，即，也就是Boost处于临界状态，可得：

………………………………………………………………………………③

………………………………………………………………④

取=22V,

D=0.45

L=

经实际测量L取200uh,根据n==5.2,选用绿色环形电感，绕N=6圈

3.3二极管选型

根据系统最大电流1.5A，可选取最大允许通过电流2A的二极管，本系统主要选择FR207。

4．电路的分析

BOOST电路的工作模式分为电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。

其中电流连续模式的电路工作状态如图4-1所示,

V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式

（1）

式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

（2）

当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

（3）

设i2的初值为I20，解上式得：

（4）

图4-1电流断续升压斩波电路波形图4-2电流连续升压斩波电路波形

当电流连续时，从图4-2的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：

（5）

（6）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

（7）

该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

（8）

对电流断续工作状态的进一步分析可得出：

电流连续的条件为

（9）

根据此式可对电路的工作状态作出判断。

5．matlab仿真分析

matlab是一种功能强大的仿真软件,它可以进行各种各样的模拟电路和数字电路仿真，并给出波形输出和数据输出,无论对哪种器件和哪种电路进行仿真,均可以得到精确的仿真结果。

本文应用基于matlab软件对BOOST电路仿真,仿真图如图3所示,其中IGBT作为开关,以脉冲发生器脉冲周期T=0.2ms,脉冲宽度为50%的通断来仿真图5中开关S的通断过程。

图5BOOST电路的PSpice模型

6.各模块功能及元器件选型

6.1TL494工作原理

TL494的说明：

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

其主要特性如下：

TL494主要特征集成了全部的脉宽调制电路。

片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻一个电容）。

内置误差放大器。

内置5V参考电压源。

可调死区时间。

内置功率晶体管可提供500MA的驱动能力。

推或拉两种方式。

TL494引脚图如图6-1所示：

图6-1TL494引脚分布图

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受控于或非门。

当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

参见图6-2。

图6-2TL494控制器时序波形图

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

6.2开关频率的计算

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

系统采用RC振荡器参数值分别为R=10K，C=4700PF，通过上式计算得，f=19.3K。

TL494的闭环调节，如图6-3所示，TL494的IN2通道与feedback引脚构成一个闭环的PID调节。

图6-3TL494闭环调节

7.系统总设计原理图

系统总设计原理图如图7所示：

图7系统总设计原理图

7设计结果与分析

7.1比较基准波形图

TL494的5、6号脚与外围电阻电容构成一个RC振荡器，为系统提供了比较基准源，其波形如图7-1所示：

图7-1比较基准波形图

7.2TL494输出波形

TL494的9、10号脚的输出波形为驱动MOS开关管波形，如图7-2所示：

图7-2MOS驱动波形

7.3输出纹波波形

由于Boost电路中的开关管的开断以及电感电容的充放电，导致系统输出有较大的纹波，根据设置的电容值大小，最后输出的纹波波形，测试时示波器采用交流挡测试，所测试的波形如图7-3所示：

图7-3输出纹波波形

7.4电感输出波形

当开关管开通和关断过程中，电感处的输出波形与输入波形有很大的区别，输入波形为系统电源输入波形，为直流波形。

其波形如图7-4所示：

图7-4电感输出波形

8实验小结

通过这次课程设计，对开关电源相关的基础课和专业基础课的理解更加的深刻和透彻，从系统的角度学习BOOST电路的构成、参数的计算，并结合了MATLAB仿真软件获得系统实现。

充分了解了如何用Matlab在电气方面建模，也对Matlab这个软件有了更加深入的了解。

知道了此软件功能相当强大，以后要更加深入地学习。

在此次硬件仿真中，我对示波器的适用方法有了更深层次的了解，并能更加熟练地操作示波器，对Boost斩波电路也有了一个实践意义上的理解。

经过这次课程设计，我对电焊的精细达到更高的要求，不仅要完成课程设计的目标，还要做的漂亮，美观。

我们学到了很多实用的知识，同时也发现自身对专业知识掌握的不够。

再次感谢胡老师细心的讲解和耐心的指导，同时感谢帮助过我的同学，因为你们此次课程设计得以顺利完成。

参考文献

[1]PekikA．Dahono，SlametRiyadi，AhmadMudawari，YanuarsyahHaroen．OutputRippleAnalysisofMultiphaseDC-DCConverter．inProc．1EEEPowerElectronicsandDriveSystemsConf．，Hongkong，China，July1999，PP．626-631．

[2]王兆安.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社.2011

[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程.北京.高等教育出版社.2010

[4]石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：

机械工业出版社，1998

[5]邓北川，浅谈模拟PID电路学习与识别，西安航空技术高等专科学校学报.2007

电力电子装置设计与制课程设计成绩评定表

姓名

学号

专业班级

课程设计题目：

开关直流升压电源（BOOST）设计

课程设计答辩记录：

1）升压电路为什么不应空载？

答：

电感电流断续时，总是有>/（1-D），且负载电流越小，越高。

输出空载时，→，故升压电路不应空载，否则会产生很高的电压造成电路中元器件的烧坏。

2）电感电流在断续工作模式-时段的状态？

答：

电路处于开关状态3，电感电流减小到零，二极管VD截至，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到开关S再次开通，下个开关周期开始。

成绩评定及依据：

1.课程设计考勤情况（20%）：

2.课程设计答辩情况（30%）：

3.完成设计任务报告规范性（50%）：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）：

指导教师签字：

年月日

15