1、1电气与电子信息工程学院电力电子装置设计与制作课程设计报告课设名称： 开关直流升压电源（BOOST）设计专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 课设时间： 课设地点： 电气与电子信息工程学院2电力电子装置设计与制作课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作部门： 1、课程设计题目：开关直流升压电源（BOOST）设计2、课程设计内容根据题目选择合适的输入输出电压进行电路设计，在 Protel 或 OrCAD 软件上进行原理图绘制；满足设计要求后，再进行硬件制作和调试。如实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。题目：开关直流升压电源（BOOS
2、T）设计主要技术指标：1）输入交流电压 220V（可省略此环节） 。2）输入直流电压在 11-12V 之间。3）输出直流电压 17V，输出电压纹波小于 2%。4）输出电流 1A。 5）采用脉宽调制 PWM 电路控制。目录3摘要5第一章 方案选择和方案论证71.系统方案设计72.方案论证7第二章 主电路计算和器件选择81.设计要求82.选择开关管的频率83.占空比计算84.电感的计算(按D=35.29%)85.电容的计算86.电感峰值电流的计算(按4D=35.29%)87.开关管的选择88.开关损耗的计算(按D=35.29%)99.二极管的选择910.电阻的计算9第三章 系统功能及原理101.系
3、统功能102. boost 电路工作原理10第四章 各模块的功能和原理131. TL494 工作原理13 2. 开关频率的计算513 第五章 MATLAB 仿真151.仿真原理图152.仿真结果153.仿真结果分析16第六章 实验结果以及分析171.实验结果172.结果分析17第七章 硬件电路181.焊接电路主电路图182.焊接电路控制电路图1863.焊接实物图19第八章 总结20参考文献207摘要提高转换器(升压转换器)是一个 DC-to-DC 电源转换器的输出电压大于输入电压。它是一个类的开关电源(smp)至少含有两个半导体(二极管和晶体管)和至少一个储能元件,电容,电感器,或两者的组合。
4、过滤器由电容器(有时结合电感)通常添加到转换器的输出,以减少输出电压纹波。提高转换器的基本原理。开关通常是一个 MOSFET、IGBT 或者是机器。概述电压的提高转换器可以来自任何合适的直流源,如电池、太阳能电池板、整流器和直流发电机。这一过程变化一个直流电压不同的直流电压称为直流直流转换。提高转换器是一个直流对直流转换器的输出电压大于源电压。提高转炉有时被称为一个升压转换器,因为它“步骤”源电压。自(P=VI)必须节约用电,输出电流低于源电流。历史为了效率高,smp 开关必须打开或关闭快速和较低的损失。的出现,一个商业半导体开关在 1950 年代代表一个重要的里程碑,让 smp 如 boos
5、t 变换器成为可能。直流对直流转换器主要是在 1960 年代早期,当半导体开关已经变得可用。航空航天工业需要小,重量轻,高效的电力转换器导致了转换器的快速发展。切换系统如 smp 设计挑战,因为他们的模型依赖于一个开关是否打开或关闭。rd麦德布鲁克从加州理工学院在 1977 年出版的今天使用的模型直流对直流转换器。麦德布鲁克平均每个开关状态的电路配置状态空间平均技术。这简化了两个系统。新模型导致深刻的设计方程,帮助 smp 的增长。关键词：斩波电路、BOOST 电路A boost converter (step-up converter) is a DC-to-DC power convert
6、er with an output voltage greater than its input voltage. It is a class of 8switched-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 (somet
7、imes 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 batterie
8、s, 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 si
9、nce 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
10、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 developmen
11、t.Switched systems such as SMPS are a challenge to design since their models depend on whether a switch is opened or closed. R. D. 9Middlebrook 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 tec
12、hnique 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 方案选择和方案论证1.系统方案设计 本系统采用闭环控制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.方案论证闭环控
13、制系统输出电压由给定电压决定，当给定电压与反馈电压不相等时积分电容就不断地冲放电改变电压调节器的输出从而改变可输出的 PWM 波的占空比进而改变输出电压的大小，方案可行。10第二章 主电路计算和器件选择1.设计要求1）输入交流电压 220V（可省略此环节）。2）输入直流电压在 11-12V 之间。3）输出直流电压 17V，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。2.选择开关管的频率本设计选择 20KHz 的开关管3.占空比计算（3-DUio11）得 D=29.41%-35.29%4.电感的计算(按 D=35.29%)（3-532o2 1028.60
14、17)359.01(2.)1 sITUDL2）取 H635.电容的计算（3-FUfDICo 53max 109.%21702.53）取 F526.电感峰值电流的计算(按 D=35.29%)11(3-4)ALTDUIoL08.3)1(7.开关管的选择Mosfet 开关损耗小，开关速度快，所以适用于高频切换的场合；IGBT 导通压降低，耐压高，所以适用于高压大功率场合。一般而言，IGBT 的正压驱动在 15V左右，而 Mosfet 建议在 1012V 左右。所以从功耗的角度来说，选择 Mosfet。Mosfet 的型号为 IFR540N, IFR540N 的极限电压为 100V，极限电流为 27A
15、，功率为 120W，导通电阻为 , , ,满足设计条件 。mRonds4)( VUDS10AIDS258.开关损耗的计算(按 D=35.29%)(3-5)WRIDRIPondsondson 3)(2)(2 1059.41(3-6)USDf 36106.%)2.09.二极管的选择选择 FR602, FR602 的最大反向电压为 100V，最大正向电流为 6A,满足条件。10.电阻的计算(3-7)17oIUR12第三章 系统功能及原理1.系统功能实现输入为 1112V，输出升高到为 17V，本系统采用闭环控制通过给定电压来决定输出电压。给定信号 电压调节器 PWM 驱动电路 Boost 电路输出电
16、压反馈信号-图 3-1 系统框图给定信号决定输出，反馈信号反馈信息，当给定不等于反馈时电流调节器的积分电容就开始充放电来改变输出电压的大小从而改变 PWM 波发生电路产生的PWM 波的占空比，驱动电路驱动 mosfet，boost 电路实现升压。2. boost 电路工作原理boost 升压电路是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。 基本电路图见图一： 13图 3-2 boost 电路原理图假定那个开关（三极管或者 mos 管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路 充电过程 在充电过程中，开关闭合（三极管导
17、通），开关（三极管）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。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。 放电过程 当开关断开（三极管截止）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。升压完毕。 说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。 如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持
18、一个持续的电流。 如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。14第四章 各模块的功能和原理1. TL494 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
19、。推或拉两种方式。TL494 引脚图如图 4-1 所示： 15图 4-1 TL494 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： (4-1)ToscCRf1.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 4-2。 16图 4-2 TL494 控制器时序波形图控制信号由集成电路外部
20、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 03.3V 之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。 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： ToscCRf1.TL494 的闭环调节，如图 4-3 所示，TL494 的 IN2 通道与 feedb
21、ack 引脚构成一个闭环的 PID 调节。 17图 4-3 TL494 闭环调节第五章 MATLAB 仿真1.仿真原理图18图 5-1 仿真原理图2.仿真结果图 5-2 仿真结果 119图 5-3 仿真结果 23.仿真结果分析输出电压乘以 后作为反馈信号，因此如果输出是 17V 那么反馈信号就是101.7V 因此给定信号为 1.7V 是就能让输出稳定在 17V，由输出信号和反馈信号共同决定占空比，因为它是一个闭环控制系统，给定信号和反馈信号决定这 PI 调节器的输出，用于触发晶闸管的矩形波就是由三角波发生器和 PI 调节器的输出共同决定。20第六章 实验结果以及分析1.实验结果图 6-1 实验
22、结果图 6-2 实验结果2.结果分析2 通道是输入电压，1 通道是输出电压。通过调节给定电压的滑动变阻器来决定输出电压的大小，当给定固定时输出就固定了，不随输入电压的改变而变化，另外一个滑动变阻器用来将输出电压按一个比例缩小后作为反馈信号，因为TL494 的基准输出是 5V 经过一个 470 的电阻与滑动变阻器分压后最多只有约2.5V 小于输出 17V 所以要将输出按比例缩小。21第七章 硬件电路1.焊接电路主电路图图 7-1 焊接电路主电路图2.焊接电路控制电路图图 7-2 焊接电路控制电路图223.焊接实物图7-3 实物图23第八章 总结本设计用MATLAB仿真，在画仿真图时，并没有单个的
23、电阻、电感、电容模型而是把电感、电容、电阻组合在一起构成一个Series RLC Branch模型，通过设置各个元件的参数得到需要的电感、电阻、电容模型，一开始我以为电容的设置和电阻一样把他的参数设置成0,就表示没有，由于不能把电容设置成0，我设置了一个很小的电容值，然而这样是错误的，无论怎么设置参数，这样仿真出来的输出电压都是 级的，应该把电容设置成inf即无穷大，因为当电容为无穷v30-16-大时他的阻抗才为0，相当于没有电容，改正之后的到了正确的结果。通过本次课程设计我加深了电力电子、开关电源还有MATLAB的了解。参考文献1王兆安电力电子技术M北京机械工业出版社20112杨素行模拟电子技术基础简明教程北京高等教育出版社20103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19984裴云庆等开关电源的设计和应用北京机械工业出版社201024
