电力电子课程设计报告.docx

电力电子技术课程设计课题：48W BUCK/BOOST电路设计 班级： 学号： 姓名： 专业： 电力电子技术 系别： 自 动 化 学 院 指导教师： 淮阴工学院自动化学院2017年3月11. 背景应用1. 单管BUCK-BOOST:是非隔离升降压（输出可高于或低于输入电压）式PWM DC/DC转换电路，其输出电压与输入电压方向相反，开关MOS管是高端驱动，因此可工作在BUCK和BOOST两种工作状态，工作时序比BOOST复杂需要分别进行分析。2. 双管BUCK-BOOST：是非隔离升降压（输出可高于或低于输入电压）式PWM DC/DC转换电路，其输出电压与输入电压方向相同。开关MOS管是高、低端驱动，存在BUCK和BOOST两种工作状态相互切换的问题，用硬件不易实现PWM，用软件（如DSP）比较容易实现，不易产生工作状态切换不稳定性问题。2. buck/boost主电路工作原理2.1设计任务1、分析buck/boost电路工作原理，深入分析功率电路中各点的电压波形和各支路的电流波形；2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，并给出所选器件的型号，设计变换器输出滤波电感及滤波电容。3、给出控制电路的设计方案，能够输出频率和占空比可调的脉冲源。4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试2.2原理分析升降压斩波电路的原理图如图1所示。由可控开关Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻RL和控制电路等组成。图表 1 BUCK-BOOST主电路图表 2 电感、电容的电压、电流波形当开关管Q受控制电路的脉冲信号触发而导通时，输入直流电压V1全部加于储能电感L的两端，感应电势的极性为上正下负，二极管D反向偏置截止，储能电感L将电能变换成磁能储存起来。电流从电源的正端经Q及L流回电源的负端。经过ton时间以后，开关管Q受控而截止时，储能电感L自感电势的极性变为上负下正，二极管D正向偏置而导通，储能电感L所存储的磁能通过D向负载 RL释放，并同时向滤波电容C充电。经过时间Toff后，控制脉冲又使Q导通，D截止，L储能，已充电的 C向负载RL放电，从而保证了向负载的供电。此后，又重复上述过程。由上述讨论可知，这种升降压斩波电路输出直流电压V2的极性和输入直流电压升降压斩波电路V1的极性是相反的，故也称为反相式直流交换器。2.3电路运行状态分析(a) Q导通 (b) Q关断，D续流图表 3 buck/boost不同开关模态下等效电路电感电流连续工作时，Buck/Boost变换器有开关管Q导通和开关管Q关断两种工作模态。a.在开关模态10ton：t=0时，Q导通，电源电压Vin加载电感Lf上，电感电流线性增长，二极管D戒指，负载电流由电容Cf提供：(2-1)(2-2)(2-3)t=ton时，电感电流增加到最大值，Q关断。在Q导通期间电感电流增加量(2-4)b.在开关模态2ton T:t=ton时，Q关断，D续流，电感Lf贮能转为负载功率并给电容Cf充电，在输出电压Vo作用下下降：(2-5)(2-6)t=T时，见到最小值，在ton T期间减小量为： (2-7)此后，Q又导通，转入下一工作周期。由此可见，Buck/Boost变换器的能量转换有两个过程：第一个过程是Q开通电感Lf贮能的过程，第二个是电感能量向负载和电容Cf转移的过程。稳态工作时，Q导通期间的增长量应等于Q关断期间的减小量，或作用在电感Lf上电压的伏秒面积为零，有输入输出电压关系： (2-8)由(2-8)式，若Dy=0.5，则Vo=Vin；若Dy0.5，则Vo0.5，VoVin。设变换器没有损耗，则输入电流平均值Ii和输出电流平均值Io之比为 (2-9)开关管Q截止时，加于集电极和发射极间电压为输入电压和输出电压之和，这也是二极管D截止时所承受的电压 (2-10)由图1-2可见，电感电流平均值等于Q和D导通期间流过的电流平均值IQ和ID之和，即： (2-11) (2-12)负载电流Io等于流过二极管D电流的平均值ID，即在t=ton T期间电感电流的平均值 (2-13)(2-14)电感电流最大值和最小值为： (2-15) (2-16)开关管Q和二极管D电流的最大值、等于电感电流最大值 (2-17)Q导通期间，电容Cf电压的变化量即输出电压脉动由Q导通期间放电量计算，因，故 (2-18)3.电路参数的计算Buck/Boost变换器设计指标为：(1) 输入电压：直流1872V; (2) 输出电压：直流24V; (3) 输出功率：48W 。 设定MOSFET的开关频率为500kHz，电感电流纹波为电感电流平均值的5%，输出电压纹波为输出电压的2%。设定Mosfet的开关频率为100kHz，电感电流纹波为电感电流平均值的20%，输出电压纹波为输出电压的20%。输出端电阻为：输出端电流为： 由式(3-8)得占空比为： =（0.250.57） 由式(3-9)得输入电流为：=（0.67A2.65A）由式(3-10)得开关管Q截止时承受电压，二极管D截止时承受电压为：=（42V96V）由式(3-13)得电感电流平均值为：=（2.67A4.65A） 电感大小为：电容大小为：实验器件选择（电压取两倍安全裕量，电流取四倍安全裕量） 开关管Q：开关频率100kHz，截止时承受电压96V，流过最大电流4.766A。所以选用IRF640A（200V，18A） 二极管D：截止时承受电压96V，流过最大电流4.766A。所以选用IN4935（200V，30A） 电感：0.26mH 电容：2.4 电阻RLD：124.buck/boost控制电路分析图表 4 控制电路1.关于电容的注意事项：在主电路中有电解电容和普通电容并联，其中两个电容都起到滤波的作用。电解电容的作用是滤除低频的交流谐波，当谐波的频率达到一定程度时，电解电容的温度将会超过电容的耐受温度，容易击穿电容，严重可能发生爆炸，故并联一个普通电容用来滤除高频谐波。这样线路中的谐波将会较好的滤除。2.关于MOSFET管的驱动电源：在简单的buck电路中有的直接将UC3843的Vout的经过一个限流电阻后接到MOSFET管的G端，控制MOS管关闭和导通，调整占空比D。但是buck-boost电路用着这样驱动,MOS就变成源极跟随器了,跟三极管的射极跟随器一样,输出的电压永远比驱动的电压低,也就是说,在这里,MOS起不到一个开关的作用,一直是工作在线性状态,上面压降很大,损耗很大。所以要将3843直接驱动MOS，那么3843的地，就要接在MOS的S极串的电流采样电阻的后端。3.关于光耦的作用：因为buck-boost是反极性输出，MOS就变成源极跟随器了,跟三极管的射极跟随器一样,输出的电压永远比驱动的电压低,也就是说,在这里,MOS起不到一个开关的作用,一直是工作在线性状态,上面压降很大,损耗很大, 所以可能以用一个光耦比较好。光耦的是隔离的原件，这样UC3843的comp端是+13V左右。UC843才能正常工作，光耦是通过反馈来控制流入COMP的电流和Vfb的采样电压。 5.实验器件的选择开关管Q：开关频率100kHz，截止时承受电压96V，流过最大电流4.783A。二极管D：截止时承受电压96V，流过最大电流4.783A。电感：大小0.44mH1.35mH，流过电流最大值4.783A。电容：大小10.14623.8，承受电压最大值大于24V。电阻RLD：12。参数设置：开环仿真时各个器件参数截图： 图表 5 开环L1参数 图表 6 开环时Q1参数 图表 7 开环时R参数 图表 8 开环时D1参数闭环仿真时各个器件参数截图： 图表 9 开环时二极管参数 图表 10 闭环时MOS管参数 图表 11 比例-积分模块参数 图表 12 饱和度模块的参数6.MATLAB仿真6.1开环仿真图表 13 Simulink开环仿真任取五组输入电压值Vin分别为：18V、24V、48V、60V、72V，计算并调节各组占空比D，使得输出电压Vo稳定在24V，输出电流值稳定在2A，观察仿真所得的输出电压、电流的波形图是否满足要求。其中，仿真图中各原件参数如下：L1=188.4HR1=12C=50.4F得到的数据记录于下表：序号输入电压Vin占空比D输出电压Vo118V0.57124V224V0.524V348V0.33324V460V0.28524V572V0.2524V开环仿真输出电压、波形分为五组记录如下：第一组（输入电压Vin=18V）：图 14 开环仿真输入电压为18V时的输出电压波形图表 15 开环仿真输入电压为18V时的输出电流波形第二组（输入电压Vin=24V）：图表 16 开环仿真输入电压为24V时的输出电压波形图表 17 开环仿真输入电压为24V时的输出电流波形第三组（输入电压Vin=48V）：图表 18 开环仿真输入电压为48V时的输出电压波形图表 19 开环仿真输入电压为48V时的输出电流波形第四组（输入电压Vin=60V）：图表 20 开环仿真输入电压为60V时的输出电压波形图表 21 开环仿真输入电压为48V时的输出电流波形第五组（输入电压Vin=72V）：图表 22 开环仿真输入电压为72V时的输出电压波形图表 23 开环仿真输入电压为72V时的输出电流波形图表 24 开环仿真时电感电流波形分析：MOSFET管两端的电压为输入和输出端电压之和（此时的占空比D为50）。通过仿真得出Buck/Boost变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器。当0D1/2时实现降压，当1/2D1时实现升压。且当占空比为0.250.571之间是可以满足输入：1872Vdc，输出：24Vdc/2A的设计需要，且仿真结果与理论结果高度近似。6.2 闭环仿真图表 25 Simulink闭环仿真电路图工作原理:闭环是在主电路开环的基础上加入反馈通道,通过控制电路将电压降到稳定的2.5V左右(MOS管的驱动电压)接到MOS管的驱动端,通过输出的高低电平控制MOS管的导通,占空比可以控制通断时间,来实现24V的稳定输出.在实际电路中就要用到UC3842/3的器件来实现PWM技术.闭环仿真:取五组输入电压值Vin分别为：18V、24V、48V、60V、72V，使其经过调试后的闭环电路后输出电压值Vo稳定在24V，输出电流值稳定在2A，观察仿真所得的输出电压、电流的波形图是否满足要求。闭环仿真输出电压、电流波形分为五组记录如下。第一组（输入电压Vin=18V）：图表 26闭环仿真输入电压为18V时的输出电压波形图表 27 闭环仿真输入电压为18V时的输出电流波形第二组（输入电压Vin=24V）：图表 28 闭环仿真输入电压为24V时的输出电压波形图表 29 闭环仿真输入电压为24V时的输出电流波形第三组（输入电压Vin=48V）：图表 30 闭环仿真输入电压为48V时的输出电压波形图表 31 闭环仿真输入电压为48V时的输出电流波形第四组（输入电压Vin=60V）：图表 32 闭环仿真输入电压为60V时的输出电压波形图表 33 闭环仿真输入电压为60V时的输出电流波形第五组（输入电压Vin=72V）：图表 34 闭环仿真输入电压为72V时的输出电压波形图表 35 闭环仿真输入电压为72V时的输出电流波形图表 36 闭环仿真时电感的电流波形分析：1电容增大,会使衰减变慢且超调量变大但其稳态输出脉动变小,电容减小时, 超调量减小脉动增加, 开始的一段时间就会出现较大的振荡 ,使输出不稳定；2电感变大,会使衰减变慢但稳态时的脉动较小，增大电感可以使超调量减小.电感变小,会使脉动增加,超调量变大, 在开始一段时间做成振荡，而且稳定时还会有明显的振荡，若电感过小会导致出现增幅振荡；3电阻的小范围变化对电路的影响不是太大，但如果电阻在太大的范围改变可能也会出现较大的初始过程；4当输入电压不稳定，而要求输出电压在期望值附近时，可以通过选择合适的控制策略，改变占空比进行调节,使输出电压在比较理想的范围内。两个表格：输入不变，负载空载到满载输出电压数值，验证闭环效果；满载情况下，整个输入电压范围，输出电压电压值 ；7.Protel绘图7.1总电路7.2主电路电容的选择在主电路中有电解电容和普通电容并联，其中两个电容都起到滤波的作用。电解电容的作用是滤除低频的交流谐波，当谐波的频率达到一定程度时，电解电容的温度将会超过电容的耐受温度，容易击穿电容，严重可能发生爆炸，故并联一个普通电容用来滤除高频谐波。这样线路中的谐波将会较好的滤除7.3控制电路光耦的作用因为buck-boost是反极性输出，MOS就变成源极跟随器了,跟三极管的射极跟随器一样,输出的电压永远比驱动的电压低,也就是说,在这里,MOS起不到一个开关的作用,一直是工作在线性状态,上面压降很大,损耗很大, 所以可能以用一个光耦比较好。光耦的是隔离的原件，这样UC3843的comp端是+13V左右。7.4 UC3843_VccUC3843的独立电源 由于UC3843在电路中起到PWM调节的作用，但是PWM的电源对稳定需求然而输入端是18-72Vdc,所以不能直接为UC3843直接供电。此时就需要一个稳定的电压源，稳定输出12v电压使UC3843能够正常工作。UC3842/UC3843开关电源是高频开关电源，与低频开关电源相对应。高频开关电源是先把工频（50Hz）220VAC先转换为几十KHz，通过高频变压器隔离、降压，得到所需的直流电压。而低频开关电源是直接将50Hz 220VAC通过低频变压器，转换为所需电压。 UC3842/UC3843是固定频率电流模式PWM控制器，专为使用最少的外部元件实现Off-Line 电源和DC-DC转换器的应用而设计。这些集成电路具有可微调的振荡器（可实现精确的占空比控制）、温度补偿参考电压、高增益误差放大器、电流取样比较器（current sensing comparator）和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其保护电路有内置的欠压锁定（UVLO）和电流限制。以安森美UC3843B 8脚封装为例，如下图所示根据芯片资料知，安森美UC3843B的欠压锁定门限为8.5V（通）和7.6V（断）。 正常使用时，首先需要在7脚（Vcc）和5脚（GND）加工作电压。当Vcc超过门限电压8.5V时，UC3843B工作，8脚（Vref）输出参考电压5V，同时，在6脚（Output）输出固定频率的脉冲宽度调制（PWM）信号，这个固定频率由4脚（Rt/Ct）和8脚（Vref）之间的定时电阻和电容确定，最大为500KHz。 当Vcc低于门限电压7.6V时，8脚（Vref）的电压约为0V，振荡器停振，6脚（Output）输出电压约为0V，开关管截至，UC3843B不工作。7.5 示波器显示波形以下各组波形均