电力电子课程设计直流直流升压电路分析与设计电动汽车蓄电池充电器设计

1、题目 1 直流 / 直流升压电路分析与设 计电动汽车蓄电池充电器设计一、技术指标输入电压： 12-24V ，输出电压 42V ，输出电压纹波 <200mV ，负载电 阻10 Q , 开关频率50kHz。二、设计要求1) . 选择主电路的类型和相应的功率器件，并对功率器件进行设计；2) . 设计电压单闭环反响补偿器；3) . 给出输出电压的仿真结果来验证你的设计：a) 电阻由10 Q跳变到5 Q;b) 输入电压由 12V 跳变到 24V。三、设计方案分析3.1 、DC-DC 升压变换器的工作原理DC-DC 功率变换器的种类很多。按照输入 / 输出电路是否隔离来分， 可分为非隔离型和隔离型两

2、大类。非隔离型的 DC-DC 变换器又可分 为降压式、升压 式、极性反转式等几种；隔离型的 DC-DC 变换器又 可分为单端正激式、单端 反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面 主要讨论非隔离型升压式 DC-DC 变换器的工作原理。图1( a)是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、 储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。电路的工作原理是， 当控制信号 Vi 为高电平时，开关管 VT 导通，能量从输入电源流入，储存于电感 L 中， 由于 VT 导通时其饱和压降很小，所以二极管 D 反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi为低电平时，开关管 VT

3、截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电 流的减小，感 应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经 二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。 电路各点的工作波形如图1 b 。图1DC-DC升压式变换器电路及工作波形3.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系iL I LV UlI假定储能电感L充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT导 通时，忽略管子的导通压降，通过电感L的电流近似是线性增加的。即：VT导通1 LPLVUiLL ON束时，流过电感L的电流，其中ILV是流过储能电感电流的最小值在开关U 1 T iL的增量为在开关管uL U

4、0 UI Ldt，所以流过储能电感L的电流为:i L I LPUo ULt，当开关管VT截止结束时，流过 管VT关断时，续流二极管, iL ILV ILPI 的电流为D导通，储能电感toffLL两端的电压为iL的减U0 U I TTOFFo少量为L TOFF。在电路进入稳态后，储能电感L中的电流在开关管导通开关管截止期间的减量，即L TONU0 UI T期间的增量应等于在LTOff，所TONqT T 1 TU o T U it U 11 U I以： TOFFT TON1 q ，其中 T 。可见改变占空比大小，就可以获得所需要的电压值，由于占空比总是小于1，所以输出电压总是大于输入电压。3.3

5、、 DC-DC 变换器稳压原理 通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证 输出 电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截 止时间 TOFF 不变，通过改变脉冲的频率 f 来维持输出电压 U0 的稳定， 这便是脉冲频率调 制 PFM 控制方式 DC-DC 变换器；第二可以保持 脉冲的周期 T 不变，通过改 变开关管的导通时间 TON ，即脉冲的占空 比q ,以实现输出电压的稳定，这就 是脉宽调制PWM 控制方式DC-DC 变换器。由于目前已经有各种型号的集成 PWM 控制器，所以 DC-DC 变换器普遍采用 PWM 控制方式。图 2 是 DC-DC 升压稳压变换

6、器的原理图，它主要有取样电路、比 较放 大、 PWM 控制器和 DC-DC 升压变换器组成。其稳压原理是，假 如输入电压 UI 增大，那么通过取样电阻将输出电压的变化 增大 采样， 和基准电压相比较 通过比较放大器输出信号去控制 PWM 控制器输出 脉冲占空比 q 的变化减 小，结果可使输出电压保持稳定。反之， 当输入电压减小时，PWM 控制器输出脉冲占空比 q 也自动变化增大，输出电压仍能稳定。图 2DC-DC 升压稳压电路的组成图2根本原理：系统输出电压U0 经过采样后与基准电压Uref比较得 到误差信号，经过 PI 控制器产生控制信号 u， PWM 比较器将 u 和固定频率 50KHz

7、的锯齿波比较，输出一组控制脉冲控制功率开关 管 IGBT 的导通和 关断，维持输出电压相对稳定。 四、主要单元电路设计4.1 、DC-DC 升压变换器主回路设计该升压电路结构选择图 1 所示的电路。该变换电路设计主要是确 定关键 元件：输出滤波电容 C、电感L、开关管VT和二极管D。(1) 输出滤波电容的选择假设输出滤波电容 C必须在VT导通的TON期间供给全部负载电流，设在C I 0TONTON期间C上的电压降U0 , U0为要求的纹波电压。那么 又因TON U0 U I TC I0 (U0 U I )为 U 0 ，所以f U 0 U 0 ，选择开关频率等于 50KHz ，在本设计给定的条件

8、及要求下，计算输出滤波电容的值为：1000历，实际选择 1000pF/50V的电容。(2) 储能电感的选择 根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部 分。假假设忽略电路的内部损耗，那么变换器的输出能量和变换器的输入能量相I0 UU I0 I 0 T即从UI II U 0 I0 ，所以TOFF等，即入电感的平均电流IU I TON 电感电流的纹波分量是三角波，在其减少量为TON 期间，电流的增量为 I L ；在I(U 0 U I )TOFF TOFF 期间，电流将下降， I L ；在稳态下，I I。在选择厶I时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电 流Ui Ton1.4Ii的

9、20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或 等于零。实际设计时，选择电感电流的lUiTonUi Uo Ui Ui2 Uo Ui21.4I i o1。f uo 1.4 f U o2 |ou 1，在开关频率选择 50kHz和给定的条件 及要求下，计 算电感量为2oo血，实际选择22o 口 H的电感。电感可以买成品 也可 自己绕制。3 开关管的选择开关管VT在电路中承受的最大电压是Uo，考虑到输入电压波动和电感的 反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足1.1X 1.2Uo。实际在 选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留 有充分的余地，一般选择23 1.1 X 1.2U

10、o。开关管的最大允许工作电流，一般选择23 II。开关管的选择，主要考虑开关管驱动电 路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。本设计选择IGBT作为开关管，满足设计要求。4 续流二极管的选择在电路中二极管最大反向电压为uo，流过的电流是输入电流II，所以在 选择二极管时，管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的MBR10100C ，10A ，完全满足3 所示：余地。另外选 择续流二极管时还要求导通电阻要小，开关频率要高， 一般要选用肖特基二 极管和快恢复二极管。本设计选用 T 其最大方向工作电压为 100V ，最大正向工作电流为 设计要求。4.2 、电压闭环控制系统的设计Boost 电路的电压

11、闭环控制系统很容易设计，其框图如图图 3Boost 电压闭环控制系统 1 PID 控制器传递函数的设计PID 控制器主要根据参考信号 Uref 和反响(输出)信号 U0 得到的误差信号来 计算控制量u，用以控制开关的占空比，常用的PID控制器有 PI 和 PID 两种本设计采用 PI 即比例积分控制器来处理PI 控制器的传递函数为：GP(I S) KP K i 1 S2)PWM 环节设计原理在开关电源控制系统中， PID 控制器的输出 u 为直流电平，与锯齿波 相比较， 得到占空比 D 随 u 变化的 PWM 信号，其原理图如图 4 所 示。因此 PWM 环节将 控制量 u 由电压信号转换为时间信号 D。 图 4 锯齿波 PWM 调制原理3)Boost 主电路传递函数Boost 升压电路的传递函数通过上面输出与输入电压的关系可得E 1 D五、 mtlable 仿真及结果5.1simulink 仿真总原理图5.2 仿真结果显示Q-5 Q之间变化时的情况(1)当输入电压为15V时，负载电阻为10 Q时的结果如以下图：仿真结果放大纹波情况如以下图：通过上图可知输出电压纹波 <200mV 要求2当输入电压为15V时，