電力電子課程設(shè)計(jì)直流直流升壓電路分析與設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車蓄電池充電器設(shè)計(jì)

1、直 流 / 直 流 升 壓 電 路 分 析 與 設(shè) 計(jì)電動(dòng)汽車蓄電池充電器設(shè)計(jì)、技術(shù)指標(biāo)輸入電壓：12-24V，輸出電壓42V，輸出電壓紋波200mV，負(fù)載電阻10Q,開(kāi)關(guān)頻率50kHz。二、設(shè)計(jì)要求1) . 選擇主電路的類型和相應(yīng)的功率器件，并對(duì)功率器件進(jìn)行設(shè)計(jì)；2) . 設(shè)計(jì)電壓?jiǎn)伍]環(huán)反饋補(bǔ)償器；3) . 給出輸出電壓的仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)：a)電阻由10Q跳變到5Q;b)輸入電壓由12V跳變到24V。三、設(shè)計(jì)方案分析、DC-DC 升壓變換器的工作原理DC-DC 功率變換器的種類很多。按照輸入 /輸出電路是否隔離來(lái)分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。 非隔離型的 DC-DC 變換器又可分為

2、降壓式、 升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的 DC-DC 變換器又可分為單端正激 式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升 壓式 DC-DC 變換器的工作原理。圖1( a)是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由功率開(kāi)關(guān)管 VT、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是，當(dāng) 控制信號(hào) Vi 為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管 VT 導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲(chǔ)存于電感L中，由于VT導(dǎo)通時(shí)其飽和壓降很小，所以二極管 D反偏而截止,此時(shí)存儲(chǔ)在濾波電容C中的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)Vi為低電平時(shí),開(kāi)關(guān)管VT截止，由于電感L中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)將阻止電流

3、的減小，感應(yīng)電勢(shì)的極性是左負(fù)右正，使二極管 D導(dǎo)通，此時(shí)存儲(chǔ)在電感L中的能量經(jīng)二極管D對(duì)濾波電容C充電，同時(shí)提供給負(fù)載。電路各點(diǎn)的工作波形如圖1 (b)。圖1DC-DC升壓式變換器電路及工作波形、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系假定儲(chǔ)能電感L充電回路的電阻很小，即時(shí)間常數(shù)很大，當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí),忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過(guò)電感 L的電流近似是線性增加的。即：iLi，其中ILV是流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的最小值。在開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為：IlP IlV亍ToN ,iL的增量為:Ton。在開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L兩端的電壓為Ul Uo UiL 匹iL Ilpt

4、dt ,所以流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流為：L ，當(dāng)i L I LV I LP 開(kāi)關(guān)管VT截止結(jié)束時(shí)，流過(guò)電感L的電流為Uo UiI OFFLU。UiiL的減少量為 LToff。在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，儲(chǔ)能電感L中的電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間的增量應(yīng)等于在開(kāi)關(guān)管截止期間的減量，即UiLU。UiLToffTT1U 0U I U I U I，所以： Toff T Ton1 q ，其中TonqT。可見(jiàn)改變占空比大小，就可以獲得所需要的電壓值，由于占空比總是小于1,所以輸出電壓總是大于輸入電壓。、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過(guò)輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負(fù)載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時(shí)，可以采用兩種方案。第一可

5、以維持開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間TOFF不變，通過(guò)改變脈沖的頻率f來(lái)維持輸出電壓U0的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式DC-DC變換器；第二可以保持脈沖的周期 T不變，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 TON，即脈沖的占空比q，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM）控制方式DC-DC變換器。由于目 前已經(jīng)有各種型號(hào)的集成PWM控制器，所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它主要有取樣電路、比較 放大、PWM控制器和DC-DC升壓變換器組成。其穩(wěn)壓原理是，假如輸入 電壓UI增大，則通過(guò)取樣電阻將輸出電壓的變化（增大）采樣，和基準(zhǔn) 電壓相比較通過(guò)比較放

6、大器輸出信號(hào)去控制 PWM控制器輸出脈沖占空比 q的變化（減?。Y(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓減小時(shí)，PWM控制器輸出脈沖占空比q也自動(dòng)變化（增大），輸出電壓仍能 穩(wěn)定。圖2DC-DC升壓穩(wěn)壓電路的組成圖2基本原理：系統(tǒng)輸出電壓（U0）經(jīng)過(guò)采樣后與基準(zhǔn)電壓 Uref比較得到誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PI控制器產(chǎn)生控制信號(hào)u，PWM比較器將u和固定頻率(50KHZ)的鋸齒波比較，輸出一組控制脈沖控制功率開(kāi)關(guān)管IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷，維持輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。四、主要單元電路設(shè)計(jì) 、DC-DC升壓變換器主回路設(shè)計(jì)該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計(jì)主要是確定關(guān) 鍵元件：輸出濾波電容C、電

7、感L、開(kāi)關(guān)管VT和二極管D。(1) 輸出濾波電容的選擇假如輸出濾波電容C必須在VT導(dǎo)通的TON期間供給全部負(fù)載電流,設(shè)在TON期間C上的電壓降U0,A U0為要求的紋波電壓。則Ton0Io(Uo U|)U0，又因?yàn)閆tCU0 ，所以 f U。U0，選擇開(kāi)關(guān)頻率等于50KHZ ,在本設(shè)計(jì)給定的條件及要求下，計(jì)算輸出濾波電容的值為：1000 卩F,實(shí)際選擇1000卩F/50V的電容。(2) 儲(chǔ)能電感的選擇根據(jù)電路的工作波形，電感電流包括直流平均值和紋波分量?jī)刹糠帧＜偃艉雎噪娐返膬?nèi)部損耗，則變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相|等，即U|I| U0I0，所以I 土I 0Uil0TOFFIlv，即從電

8、源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流。電感電流的紋波分量是三角波，在TON期間,I U iTon電流的增量為L(zhǎng)在TOFF期間，電流將下降，其減少量為(U0 U|)ToffL ；在穩(wěn)態(tài)下,I I。在選擇I時(shí)，一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電1.411，所以流的20%，以免使電感飽和；同時(shí)流過(guò)電感中的電流最小值也應(yīng)大于或等 于零。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，選擇電感電流的增量L UiTon Ui(U0 Ui)U2(U0 Ui)1.41114U0|0 f U1.4f U2 I0，在開(kāi)關(guān)頻率選擇50kHz和給定的條1.4可 f U。件及要求下，計(jì)算電感量為200卩H，實(shí)際選擇220卩H的電感。電感可以 買

9、成品也可自己繞制。(3) 開(kāi)關(guān)管的選擇開(kāi)關(guān)管VT在電路中承受的最大電壓是 U0，考慮到輸入電壓波動(dòng)和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足X。實(shí)際在選 定開(kāi)關(guān)管時(shí)，管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地，一般選擇(23)X。開(kāi)關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇(23) II。開(kāi)關(guān)管的選擇，主要考慮開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單、 開(kāi)關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇IGBT作為開(kāi)關(guān)管，滿足設(shè)計(jì)要求。(4) 續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為 U0,流過(guò)的電流是輸入電流II ,所以 在選擇二極管時(shí)，管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時(shí)還要求導(dǎo)通電

10、阻要小，開(kāi)關(guān)頻率要高，一般要選用肖特基二極管和快恢復(fù)二極管。本設(shè)計(jì)選用MBR10100CT,其最大方向工作電壓為100V，最大正向工作電流為10A,完全滿足設(shè)計(jì)要求。、電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Boost電路的電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)很容易設(shè)計(jì),其框圖如圖 3所示:圖3Boost電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)(1) PID控制器傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)PID控制器主要根據(jù)參考信號(hào) Uref和反饋(輸出)信號(hào)U0得到的誤差信號(hào)來(lái)計(jì)算控制量u,用以控制開(kāi)關(guān)的占空比，常用的 PID控制器有PI和PID兩種。本設(shè)計(jì)采用PI即比例一積分控制器來(lái)處理。PI控制器的傳遞函數(shù)為:Gp i(S)Kp(2) PWM環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)原理 在開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)中，PID控制器的輸出u為直流電平，與鋸齒波相比 較，得到占空比D隨u變化的PWM信號(hào)，其原理圖如圖4所示。因此PWM 環(huán)節(jié)將控制量u由電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào) 圖4鋸齒波PWM調(diào)制原理(3) Boost主電路傳遞函數(shù)Boost升壓電路的傳遞函數(shù)通過(guò)上面輸出與輸入電壓的關(guān)系可得U宀。五、mtlable仿真及結(jié)果 仿真總原理圖 仿真結(jié)果顯示Q -5Q之間變化時(shí)的情況(1)當(dāng)輸入電壓為15V時(shí)，負(fù)載電阻為10Q時(shí)的結(jié)果如下圖:仿真結(jié)果放大紋波情況如下圖:通過(guò)上圖可知輸出電壓紋波200mV要求(2)當(dāng)輸入電壓為15V時(shí)，負(fù)載電阻為5