DCDC變換器設計總結

1、湖北工業(yè)大學 DC-DC變換器設計論文院 系 班 級 指導老師 組 別 組 員 二一六 年 一 月 十五 日前言 直流變換技術已被廣泛的應用于開關電源及直流電動機驅動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制，從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變壓器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調壓的作用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側諧波電流的作用。直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/D

2、C Converter），直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況。直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路,一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，熟用這兩種電路可為理解其他斬波電路打下堅實基礎。升壓直流電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復合電路等多種方式的

3、變換電路。直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果。升壓斬波電路實際上采用的就是PWM技術。PMW控制方式是目前采用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨著電子技術的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成控制芯片，這種芯片只需要外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點。 所以，此次課題設計選題為設計使用全控型器件為MOSFET的升壓斬波電路，主要討論升壓斬波主電路、控制電路、驅動電路和保護電路的原理和設計。目錄一、設計要求以及小組工作分配 6二、設計方案分析72.1全控型器件MOSFET管的介紹7 2.

4、2、DC-DC升壓斬波電路的工作原理92.3、斬波電路輸入輸出電壓的關系 102.4、DC-DC升壓斬波電路穩(wěn)壓原理11三、主要單元電路設計123.1、控制電路原理與設計123.2、驅動電路原理與設計133.3、保護電路原理與設計153.4、PIC16f887單片機介紹16四、總電路設計與調試195、 附錄23 6、 總結26七、致謝131、 設計要求以及小組工作分配 1. 數(shù)字控制的DC-DC變換器 如下圖，設計一個DC-DC變換電路:DC-DCI1I2UiUo+_+_要求與提示：1、當輸入電壓Ui 在1015V變化時，輸出電壓Uo=20V不變，Uo穩(wěn)態(tài)相對誤差不超過2%，即恒壓輸出；2、輸

5、出負載電流I2范圍01A;3、試計算電源效率4、主電路可以采用boost電路（升壓電路），控制電路可以采用 PIC16F8872.組員任務分配1、查詢資料2、電路設計3、參數(shù)計算4、PIC編程學習5、仿真學習6、焊制電路板二、設計方案分析1. 全控型器件MOSFET管的介紹1.1 簡單介紹MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。 功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕

6、緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor-SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。 功率MOSFET的種類：按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道；增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零

7、時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。 1.2 功率MOSFET的結構 功率MOSFET的內部結構和電氣符號如圖6所示；其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向導電器件，功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 圖6 MOSFET的結構與電氣圖形符號 1.3 功率MOSFET的工作原理 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過

8、。 導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。2. 升壓斬波電路原理 升壓直流變流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖1-2所示。 電路中V導通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當V關斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻

9、斷V導通是，電容的放電回路。調節(jié)開關器件V的通斷周期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。假設L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為E。V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為： 穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 化簡得： 上式中，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。升壓比，調節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導通占空比，有如下關系： 因此，式（1-2）可表示為： 升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因:

10、一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。3. DC-DC升壓斬波電路輸入、輸出電壓的關系 由直流斬波電路的原理可知 輸入電壓為輸入直流電壓范圍：10V15V，要求輸出直流電壓：20V。所以只要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管MOSFET關斷的時間和開通的時間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計算得： 4.DC-DC升壓斬波電路穩(wěn)壓原理在如下圖所示的結

11、構框圖中，控制電路用來產(chǎn)生MOSFET降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅動電路，驅動電路把控制信號轉換為加在MOSFET控制端與公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。通過控制MOSFET的開通和關斷來控制MOSFET降壓斬波電路工作。用單片機輸出PWM方波（經(jīng)過驅動電路放大后）控制MOS管的開關，來調節(jié)輸出電壓。將輸出電壓送回PIC單片機模數(shù)轉換模塊，通過反饋調節(jié)PWM占空比調節(jié)電壓，使輸出穩(wěn)定?？刂齐娐分斜Ｗo電路是用來保護電路，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓現(xiàn)象而損壞電路設備?？刂齐娐夫寗与娐分麟娐?、 主要電路設計1、主電路設計，升壓斬波主電路前面已經(jīng)提到過，這里直接給出電路

12、圖2、 控制電路設計 控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM波信號，用于控制斬波電路主要功率器件MOSFET的通斷，通過對占空比的調節(jié)，達到控制輸出電壓的大小穩(wěn)定。3、驅動電路設計該驅動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個功能：(1) 提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海闺娏OSFE 管可靠的開通和關斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使MOSFET能迅速建立柵控電場而導通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護能力。而電力MOSFET 是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此

13、它的第一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小；第二個顯著特點是開關速度快、工作頻率高。但是電力MOSFET電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10Kw 的電力電子裝置。在功率變換裝置中,根據(jù)主電路的結構，起功率開關器件一般采用直接驅動和隔離驅動兩種方式.美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選。根據(jù)設計要求、驅動要求及電力MOSFET 管開關特性,選擇如下電路來完成4、保護電路設計電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt也是必須的。抑制過電壓

14、的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產(chǎn)過電壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。 對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的震動。保護電路如圖所示。除此之外還有其他的保護裝置，如下：一、防止陽極電壓上升率過高保護在保護電路中串聯(lián)接入適當?shù)碾姼屑纯善鸬椒乐龟枠O電壓上升率過高的保護。二、晶閘管的過電壓保護晶

15、閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護。三、晶閘管的過電流保護常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關過電流保護?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開關時間長（只有在短路電流不大時才有用）直流快速開關過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔斷器保

16、護。5、 PIC16f887單片機簡單介紹5.1引腳圖5.2 A/D 轉換步驟如下步驟給出了使用 ADC 進行模數(shù)轉換的示例：1） 端口配置： 禁止引腳輸出驅動器 （見 TRIS 寄存器） 將引腳配置為模擬輸入引腳2） 配置 ADC 模塊： 選擇 ADC 轉換時鐘 配置參考電壓 選擇 ADC 輸入通道 選擇結果的格式 啟動 ADC 模塊3） 配置 ADC 中斷 （可選） ： 清零 ADC 中斷標志位 允許 ADC 中斷 允許外設中斷 允許全局中斷 (1)4） 等待所需的采集時間 (2)。5） 將 GO/DONE 置 1 啟動轉換。6） 由如下方法之一等待 ADC 轉換結束： 查詢 GO/DON

17、E 位 等待 ADC 中斷 （允許中斷）7） 讀 ADC 結果8) 將 ADC 中斷標志位清零 5.3 PWM 模式PWM模式在CCPx引腳上產(chǎn)生脈寬調制信號。 由以下寄存器確定占空比、周期和分辨率： PR2 T2CON CCPRxL CCPxCON在脈寬調制（ PWM）模式下， CCP 模塊可在 CCPx 引腳上輸出分辨率高達 10 位的 PWM 信號。由于 CCPx引腳與端口數(shù)據(jù)鎖存器復用，必須清零相應的 TRIS 位,才能使能 CCPx 引腳的輸出驅動器。4、 總電路設計以及仿真結果圖示1、總電路圖 2、仿真結果 在本次的設計中，采用了protues軟件作為仿真工具來進行電路的模擬.Pr

18、oteus軟件具有智能原理圖設計和電路仿真功能，其中有超過27000種元器件的豐富的器件庫，可方便地創(chuàng)建新元件，可以通過模糊搜索智能快速定位所需要的器件；還能自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；在PROTEUS繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件，就可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。仿真結果如下五、附錄1、電路元器件清單 序號元器件型號備注12345678910112、整個設計參考文獻1 周克寧.電力電子技術M. 北京：機械工業(yè)出版社，20042 王兆安,劉進軍.電力電子技術M. 北京：機械工業(yè)出版社，20

19、093 李宏.電力電子設備用器件與集成電路應用指南M. 北京：機械工業(yè)出版社，20014 王維平.現(xiàn)代電力電子技術及應用M. 南京：東南大學出版社，19995 葉斌.電力電子應用技術及裝置M. 北京：鐵道出版社，19996 周志敏,周紀海等.現(xiàn)代開關電源控制電路設計及應用M. 北京：人民郵電出版社,2005六、總結 此次課程設計的過程,我們感慨很多。從理論到實踐，在課程設計的這段時間，我們遇到了很多困難，但是同時也學到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學的理論知識，更是學到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實際問題的能力。 從最初拿到題目時，感覺應該很簡單，因為直流斬波電路是我們今年學習了

20、的一門主修課電力電子技術課程里面的內容，并且我們今年還選修了單片機課程。可到真正動手去做的時候，真的覺得理想與現(xiàn)實的差距挺大。因為在自己的知識系統(tǒng)中，學習的大部分都是理論知識，課本上涉及這部分的原理知識比較少，光靠書本上的知識根本解決不了，除了升壓斬波電路的主電路模塊之外，MOSFET管的驅動電路課本只是淺顯地介紹了并沒有細講其中原理方面。在單片機模塊我們的課程主要講了8051單片機的系列編程，匯編語言我們學的遠遠不夠，PIC系列單片機之前沒有接觸過，只有去圖書館借這方面的書籍?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡也是一個不錯的工具，有些不懂的或是書本上沒有的，也可以在網(wǎng)絡上查詢。所以這次課程設計我們獲取資料的知識來源

21、很廣，在此過程中也學到了很多課本上沒有的知識，豐富了自己的理論知識，還拓寬了解決問題的方法，感覺特別充實。在做這次課程設計的過程中學到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過這次課程設計，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識運用到實際中的能力，受益良多。其中就我們小組在制作設計過程中遇到的問題和困難作如下總結：1） 由于之前審題不嚴謹，沒有意識到DC-DC升壓斬波變換器的總體電路結構的復雜性，在各個電路原理理解和選擇上消耗了許多時間，在PIC16f887單片機學習上也遇到了困難。2） 由于事先理論知識預習的不夠充

22、分，所以在很多元器件參數(shù)計算問題方面困難重重，再次花費大量時間去研究，造成實驗進度大大減速，效率降低。3） 在選取實驗元器件時，由于缺乏實際操作經(jīng)驗，常常出現(xiàn)用錯元器件，造成實驗數(shù)據(jù)誤差很大。而且由于對元器件的不熟悉運用，在藍電缺乏我們所需元器件時，我們不知道如何去處理解決。 4） 在用Protues和MPLAB軟件仿真上遇到了許多操作上的問題，需要花費時間去看網(wǎng)上使用教程，重新學習軟件仿真，致使仿真花了很多時間才達到有效效果。5） 在電路板制作過程中，我們電路 PCB圖的布局不太熟悉，我們最終選擇了多功能電路板進行電路的焊接。由于直接有過焊接電路板的經(jīng)驗，所以我們焊接方面的主要問題是多功能電路板大小有限，在整個電路布線時有飛線困難。在解決以上問題我們所作出的努力與解決困難的方法：1）在電路設計方面，我們將各個模塊電路進行分工，有的組員專門負責主電路模塊，有的組員專門