開關(guān)電源課程設(shè)計.doc

電氣與電子信息工程學(xué)院電力電子裝置設(shè)計與制作課程設(shè)計報告課設(shè)名稱：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級： 學(xué)號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 課設(shè)時間： 課設(shè)地點： 電氣與電子信息工程學(xué)院電力電子裝置設(shè)計與制作課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作部門： 1、 課程設(shè)計題目：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計2、 課程設(shè)計內(nèi)容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進行電路設(shè)計，在Protel或OrCAD軟件上進行原理圖繪制；滿足設(shè)計要求后，再進行硬件制作和調(diào)試。如實驗結(jié)果不滿足要求，則修改設(shè)計，直到滿足要求為止。題目：開關(guān)直流升壓電源（BOOST）設(shè)計主要技術(shù)指標：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72.方案論證7第二章 主電路計算和器件選擇81.設(shè)計要求82.選擇開關(guān)管的頻率83.占空比計算84.電感的計算(按D=35.29%)85.電容的計算86.電感峰值電流的計算(按D=35.29%)87.開關(guān)管的選擇88.開關(guān)損耗的計算(按D=35.29%)99.二極管的選擇910.電阻的計算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 實驗結(jié)果以及分析171.實驗結(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.焊接實物圖19第八章 總結(jié)20參考文獻20摘要提高轉(zhuǎn)換器(升壓轉(zhuǎn)換器)是一個DC-to-DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大于輸入電壓。它是一個類的開關(guān)電源(smp)至少含有兩個半導(dǎo)體(二極管和晶體管)和至少一個儲能元件,電容,電感器,或兩者的組合。過濾器由電容器(有時結(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MOSFET、IGBT或者是機器。概述電壓的提高轉(zhuǎn)換器可以來自任何合適的直流源,如電池、太陽能電池板、整流器和直流發(fā)電機。這一過程變化一個直流電壓不同的直流電壓稱為直流直流轉(zhuǎn)換。提高轉(zhuǎn)換器是一個直流對直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大于源電壓。提高轉(zhuǎn)爐有時被稱為一個升壓轉(zhuǎn)換器,因為它“步驟”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),一個商業(yè)半導(dǎo)體開關(guān)在1950年代代表一個重要的里程碑,讓smp如boost變換器成為可能。直流對直流轉(zhuǎn)換器主要是在1960年代早期,當半導(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)計挑戰(zhàn),因為他們的模型依賴于一個開關(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直流轉(zhuǎn)換器。麥德布魯克平均每個開關(guān)狀態(tài)的電路配置狀態(tài)空間平均技術(shù)。這簡化了兩個系統(tǒng)。新模型導(dǎo)致深刻的設(shè)計方程,幫助smp的增長。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 本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制需要對一直流電源進行直流斬波，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.方案論證 閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出電壓由給定電壓決定，當給定電壓與反饋電壓不相等時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波的占空比進而改變輸出電壓的大小，方案可行。第二章 主電路計算和器件選擇1.設(shè)計要求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)計選擇20KHz的開關(guān)管3.占空比計算 （3-1）得D=29.41%-35.29%4.電感的計算(按D=35.29%) （3-2）取5.電容的計算 （3-3）取6.電感峰值電流的計算(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合；IGBT導(dǎo)通壓降低，耐壓高，所以適用于高壓大功率場合。一般而言，IGBT的正壓驅(qū)動在15V左右，而Mosfet 建議在1012V左右。所以從功耗的角度來說，選擇Mosfet。Mosfet的型號為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)計條件。8.開關(guān)損耗的計算(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.電阻的計算 (3-7)第三章 系統(tǒng)功能及原理1.系統(tǒng)功能實現(xiàn)輸入為1112V，輸出升高到為17V，本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制通過給定電壓來決定輸出電壓。給定信號電壓調(diào)節(jié)器PWM驅(qū)動電路Boost電路輸出電壓反饋信號-圖 3-1 系統(tǒng)框圖給定信號決定輸出，反饋信號反饋信息，當給定不等于反饋時電流調(diào)節(jié)器的積分電容就開始充放電來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)動電路驅(qū)動mosfet，boost電路實現(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開關(guān)（三極管或者mos管）已經(jīng)斷開了很長時間，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部分來說明這個電路 充電過程 在充電過程中，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，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。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，這個比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。 放電過程 當開關(guān)斷開（三極管截止）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。升壓完畢。 說起來升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。 如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。 如果這個通斷的過程不斷重復(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（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4-1所示： 圖4-1 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行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下： (4-1)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控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(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。當控制信號增大，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。 2. 開關(guān)頻率的計算 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，因此如果輸出是17V那么反饋信號就是1.7V因此給定信號為1.7V是就能讓輸出穩(wěn)定在17V，由輸出信號和反饋信號共同決定占空比，因為它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，給定信號和反饋信號決定這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 實驗結(jié)果以及分析1.實驗結(jié)果圖 6-1實