DCDC变换器设计总结.docx

DC-DC变换器设计论文院 系 班 级 指导老师 组 别 组 员 二一六 年 一 月 十五 日前言 直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制，从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变压器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况。直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路,一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，熟用这两种电路可为理解其他斩波电路打下坚实基础。升压直流电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用。随之出现了诸如降压电路、升降压电路、复合电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。升压斩波电路实际上采用的就是PWM技术。PMW控制方式是目前采用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随着电子技术的发展，近年来已发展各种集成控制芯片，这种芯片只需要外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。 所以，此次课题设计选题为设计使用全控型器件为MOSFET的升压斩波电路，主要讨论升压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理和设计。目录一、设计要求以及小组工作分配 6二、设计方案分析72.1全控型器件MOSFET管的介绍7 2.2、DC-DC升压斩波电路的工作原理92.3、斩波电路输入输出电压的关系 102.4、DC-DC升压斩波电路稳压原理11三、主要单元电路设计123.1、控制电路原理与设计123.2、驱动电路原理与设计133.3、保护电路原理与设计153.4、PIC16f887单片机介绍16四、总电路设计与调试195、 附录23 6、 总结26七、致谢131、 设计要求以及小组工作分配 1. 数字控制的DC-DC变换器 如下图，设计一个DC-DC变换电路:要求与提示：1、当输入电压Ui 在1015V变化时，输出电压Uo=20V不变，Uo稳态相对误差不超过2%，即恒压输出；2、输出负载电流I2范围01A;3、试计算电源效率4、主电路可以采用boost电路（升压电路），控制电路可以采用 PIC16F8872.组员任务分配1、查询资料2、电路设计3、参数计算4、PIC编程学习5、仿真学习6、焊制电路板二、设计方案分析1. 全控型器件MOSFET管的介绍1.1 简单介绍MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor-SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。 1.2 功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图6所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 图6 MOSFET的结构与电气图形符号 1.3 功率MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。2. 升压斩波电路原理 升压直流变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图1-2所示。 电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通是，电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压为恒值,记为。设V通的时间为，此阶段L上积蓄的能量为E。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为，则此期间电感L释放能量为： 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 化简得： 上式中，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。升压比，调节其即可改变。将升压比的倒数记作，即。和导通占空比，有如下关系： 因此，式（1-2）可表示为： 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。3. DC-DC升压斩波电路输入、输出电压的关系 由直流斩波电路的原理可知 输入电压为输入直流电压范围：10V15V，要求输出直流电压：20V。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管MOSFET关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得： 4.DC-DC升压斩波电路稳压原理在如下图所示的结构框图中，控制电路用来产生MOSFET降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在MOSFET控制端与公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制MOSFET的开通和关断来控制MOSFET降压斩波电路工作。用单片机输出PWM方波（经过驱动电路放大后）控制MOS管的开关，来调节输出电压。将输出电压送回PIC单片机模数转换模块，通过反馈调节PWM占空比调节电压，使输出稳定。控制电路中保护电路是用来保护电路，防止电路产生过电流、过电压现象而损坏电路设备。控制电路驱动电路主电路3、 主要电路设计1、主电路设计，升压斩波主电路前面已经提到过，这里直接给出电路图2、 控制电路设计 控制电路需要实现的功能是产生PWM波信号，用于控制斩波电路主要功率器件MOSFET的通断，通过对占空比的调节，达到控制输出电压的大小稳定。3、驱动电路设计该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1) 提供适当的正向和反向输出电压，使电力MOSFE 管可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使MOSFET能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。而电力MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10Kw 的电力电子装置。在功率变换装置中,根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。根据设计要求、驱动要求及电力MOSFET 管开关特性,选择如下电路来完成4、保护电路设计电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt也是必须的。抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。保护电路如图所示。除此之外还有其他的保护装置，如下：一、防止阳极电压上升率过高保护在保护电路中串联接入适当的电感即可起到防止阳极电压上升率过高的保护。二、晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。三、晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。5、 PIC16f887单片机简单介绍5.1引脚图5.2 A/D 转换步骤如下步骤给出了使用 ADC 进行模数转换的示例：1） 端口配置： 禁止引脚输出驱动器 （见 TRIS 寄存器） 将引脚配置为模拟输入引脚2） 配置 ADC 模块： 选择 ADC 转换时钟 配置参考电压 选择 ADC 输入通道 选择结果的格式 启动 ADC 模块3） 配置 ADC 中断 （可选） ： 清零 ADC 中断标志位 允许 ADC 中断 允许外设中断 允许全局中断 (1)4） 等待所需的采集时间 (2)。5） 将 GO/DONE 置 1 启动转换。6） 由如下方法之一等待 ADC 转换结束： 查询 GO/DONE 位 等待 ADC 中断 （允许中断）7） 读 ADC 结果8) 将 ADC 中断标志位清零 5.3 PWM 模式PWM模式在CCPx引脚上产生脉宽调制信号。 由以下寄存器确定占空比、周期和分辨率： PR2 T2CON CCPRxL CCPxCON在脉宽调制（ PWM）模式下， CCP 模块可在 CCPx 引脚上输出分辨率高达 10 位的 PWM 信号。由于 CCPx引脚与端口数据锁存器复用，必须清零相应的 TRIS 位,才能使能 CCPx 引脚的输出驱动器。4、 总电路设计以及仿真结果图示1、总电路图 2、仿真结果 在本次的设计中，采用了protues软件作为仿真工具来进行电路的模拟.Proteus软件具有智能原理图设计和电路仿真功能，其中有超过27000种元器件的丰富的器件库，可方便地创建新元件，可以通过模糊搜索智能快速定位所需要的器件；还能自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件，就可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。仿真结果如下五、附录1、电路元器件清单 序号元器件型号备注12345678910112、整个设计参考文献1 周克宁.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，20042 王兆安,刘进军.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，20093 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南M. 北京：机械工业出版社，20014 王维平.现代电力电子技术及应用M. 南京：东南大学出版社，19995 叶斌.电力电子应用技术及装置M. 北京：铁道出版社，19996 周志敏,周纪海等.现代开关电源控制电路设计及应用M. 北京：人民邮电出版社,2005六、总结 此次课程设计的过程,我们感慨很多。从理论到实践，在课程设计的这段时间，我们遇到了很多困难，但是同时也学到了好多东西。它不仅巩固了以前所学的理论知识，更是学到了很多课外的东西，锻炼了自己解决实际问题的能力。从最初拿到题目时，感觉应该很简单，因为直流斩波电路是我们今年学习了的一门主修课电力电子技术课程里面的内容，并且我们今年还选修了单片机课程。可到真正动手去做的时候，真的觉得理想与现实的差距挺大。因为在自己的知识系统中，学习的大部分都是理论知识，课本上涉及这部分的原理知识比较少，光靠书本上的知识根本解决不了，除了升压斩波电路的主电路模块之外，MOSFET管的驱动电路课本只是浅显地介绍了并没有细讲其中原理方面。在单片机模块我们的课程主要讲了8051单片机的系列编程，汇编语言我们学的远远不够，PIC系列单片机之前没有接触过，只有去图书馆借这方面的书籍。现在的网络也是一个不错的工具，有些不懂的或是书本上没有的，也可以在网络上查询。所以这次课程设计我们获取资料的知识来源很广，在此过程中也学到了很多课本上没有的知识，丰富了自己的理论知识，还拓宽了解决问题的方法，感觉特别充实。在做这次课程设计的过程中学到了很多东西，也知道了自己的不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后还要努力。通过这次课程设计，发现了自己的不足和缺陷，也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，受益良多。其中就我们小组在制作设计过程中遇到的问题和困难作如下总结：1） 由于之前审题不严谨，没有意识到DC-DC升压斩波变换器的总体电路结构的复杂性，在各个电路原理理解和选择上消耗了许多时间，在PIC16f887单片机学习上也遇到了困难。2） 由于事先理论知识预习的不够充分，所以在很多元器件参数计算问题方面困难重重，再次花费大量时间去研究，造成实验进度大大减速，效率降低。3） 在选取实验元器件时，由于缺乏实际操作经验，常常出现用错元器件，造成实验数据误差很大。而且由于对元器件的不熟悉运用，在蓝电缺乏我们所需元器件时，我们不知道如何去处理解决。 4） 在用Protues和MPLAB软件仿真上遇到了许多操作上的问题，需要花费时间去看网上使用教程，重新学习软件仿真，致使仿真花了很多时间才达到有效效果。5） 在电路板制作过程中，我们电路 PCB图的布局不太熟悉，我们最终选择了多功能电路板进行电路的焊接。由于直接有过焊接电路板的经验，所以我们焊接方面的主要问题是多功能电路板大小有限，在整个电路布线时有飞线困难。在解决以上问题我们所作出的努力与解决困难的方法：1）在电路设计方面，我们将各个模块电路进行分工，有的组员专门负责主电路模块，有的组员专门负