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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：一、课程设计题目：开关直流升压电源（BOOST）设计二、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（BOOST）设计主要技术指标：1）输入
2、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D=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. 系统功能102. boost电路
3、工作原理10第四章各模块的功能和原理131. TL494 工作原理132. 开关频率的计算13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183. 焊接实物图19第八章总结20参考文献20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。过滤器由电容器(有时结合电感)通常添
4、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boost变换器成为可能。直 流对直流转换器主要
5、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 converter with an output voltag
6、e 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
7、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, rectifie
8、rs 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 sou
9、rce voltage. Since power （厂二 TJ） 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 S
10、MPSs 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 su
11、ch 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-sp
12、ace 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
13、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。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（3-1）得 D=29.41%-35.29%4. 电感的计算（按D=35.29%）0.3529(1 - 0.3529)2 x 17 x（3-2）L D(1-D)2UoT =2 = 6.28x 1
14、0-55. 电容的计算C - o maxmaxfRU1X 孙29%= 5.19 x 10 -5 F20 X103 X17 X 2%（3-3）取 C = 52 r F6. 电感峰值电流的计算（按D=35.29%）里=叩1- D)T = 3.08 AL(3-4)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2
15、7A，功 率为120W，导通电阻为七（）=44mQ , U愤=100V , / = 25rA ,满足设计条件。8. 开关损耗的计算（按D=35.29%）(3-5)P = Id2七 )D = (JDM)2)D = 4.59 x 10-3WP = U I (1 - D) = 100 X 25 X10-6 X (1 - 35.29%) = 1.6 x 10-3 W(3-6)9. 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R = =17Q(3-7)I 1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
16、系统采用闭环控制通过给定电压来决定输出电压。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：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
18、持一个持续的电流。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。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。推或拉两种方式。脚图如图
19、4-1所示：TL494 引NoninvCompenTWNComp InputDeadtimeControl图4-1 TL494引脚分布图振荡频率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， 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)f 1.1osc R C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。正反群屯正反舞跆京卷.人.卜|正
20、反排门输出霍强削如酎极禁出g I炬射极输出:料容翠c-跋止时间比较暴，比较瞽同喂mvM出转5S；图4-2 TL494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
21、和一个电容进行调节，其振荡频率如下：fosc1.1TL494的闭环调节，如图4-3所示，TL494的IN2通道与feedback引脚构成一个闭环的PID调节。图4-3 TL494闭环调节第五章MATLAB仿真1.仿真原理图图5-1仿真原理图2.仿真结果图5-2仿真结果1图5-3仿真结果23. 仿真结果分析输出电压乘以上后作为反馈信号，因此如果输出是17V那么反馈信号就是1.7V10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
22、同决定。第六章实验结果以及分析1.实验结果图6-1实验结果图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 Q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。第七章硬件电路1.焊接电路主电路图*12VHeader 2 r|?Y图7-1焊接电路主电路图2.焊接电路控制电路图 NDFEEDBACKL inMOS iL+ 12V vec2
23、TiND45OKR5 4 7K|jND(vcc，RTVCCCTDTCVREFINI*CNTLOINI-CMPENClINLElINNCl，GNDE2TL494CJ图7-2焊接电路控制电路图3.焊接实物图7-3实物图第八章总结本设计用MATLAB仿真，在画仿真图时，并没有单个的电阻、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10-1610-30v级的，应该把电容设置成inf即无穷大，因为当电容为无穷大时他的 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2010
