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

1、題目 1 直流 / 直流升壓電路分析與設(shè) 計電動汽車蓄電池充電器設(shè)計一、技術(shù)指標輸入電壓： 12-24V ，輸出電壓 42V ，輸出電壓紋波 <200mV ，負載電 阻10 Q , 開關(guān)頻率50kHz。二、設(shè)計要求1) . 選擇主電路的類型和相應(yīng)的功率器件，并對功率器件進行設(shè)計；2) . 設(shè)計電壓單閉環(huán)反響補償器；3) . 給出輸出電壓的仿真結(jié)果來驗證你的設(shè)計：a) 電阻由10 Q跳變到5 Q;b) 輸入電壓由 12V 跳變到 24V。三、設(shè)計方案分析3.1 、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分， 可分為非隔離型和隔離型兩

2、大類。非隔離型的 DC-DC 變換器又可分 為降壓式、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，它主要由功率開關(guān)管VT、 儲能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD組成。電路的工作原理是， 當控制信號 Vi 為高電平時，開關(guān)管 VT 導(dǎo)通，能量從輸入電源流入，儲存于電感 L 中， 由于 VT 導(dǎo)通時其飽和壓降很小，所以二極管 D 反偏而截止，此時存儲在濾波電容C中的能量釋放給負載。當控制信號Vi為低電平時，開關(guān)管 VT

3、截止，由于電感L中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢將阻止電 流的減小，感 應(yīng)電勢的極性是左負右正，使二極管D導(dǎo)通，此時存儲在電感L中的能量經(jīng) 二極管D對濾波電容C充電，同時提供給負載。 電路各點的工作波形如圖1 b 。圖1DC-DC升壓式變換器電路及工作波形3.2、DC-DC升壓變換器輸入、輸出電壓的關(guān)系iL I LV UlI假定儲能電感L充電回路的電阻很小，即時間常數(shù)很大，當開關(guān)管VT導(dǎo) 通時，忽略管子的導(dǎo)通壓降，通過電感L的電流近似是線性增加的。即：VT導(dǎo)通1 LPLVUiLL ON束時，流過電感L的電流，其中ILV是流過儲能電感電流的最小值在開關(guān)U 1 T iL的增量為在開關(guān)管uL U

4、0 UI Ldt，所以流過儲能電感L的電流為:i L I LPUo ULt，當開關(guān)管VT截止結(jié)束時，流過 管VT關(guān)斷時，續(xù)流二極管, iL ILV ILPI 的電流為D導(dǎo)通，儲能電感toffLL兩端的電壓為iL的減U0 U I TTOFFo少量為L TOFF。在電路進入穩(wěn)態(tài)后，儲能電感L中的電流在開關(guān)管導(dǎo)通開關(guān)管截止期間的減量，即L TONU0 UI T期間的增量應(yīng)等于在LTOff，所TONqT T 1 TU o T U it U 11 U I以： TOFFT TON1 q ，其中 T ?？梢姼淖冋伎毡却笮?，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。3.3

5、、 DC-DC 變換器穩(wěn)壓原理 通過輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負載變化，要保證 輸出 電壓保持穩(wěn)定時，可以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截 止時間 TOFF 不變，通過改變脈沖的頻率 f 來維持輸出電壓 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，通過改 變開關(guān)管的導(dǎo)通時間 TON ，即脈沖的占空 比q ,以實現(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

6、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，那么通過取樣電阻將輸出電壓的變化 增大 采樣， 和基準電壓相比較 通過比較放大器輸出信號去控制 PWM 控制器輸出 脈沖占空比 q 的變化減 小，結(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之， 當輸入電壓減小時，PWM 控制器輸出脈沖占空比 q 也自動變化增大，輸出電壓仍能穩(wěn)定。圖 2DC-DC 升壓穩(wěn)壓電路的組成圖2根本原理：系統(tǒng)輸出電壓U0 經(jīng)過采樣后與基準電壓Uref比較得 到誤差信號，經(jīng)過 PI 控制器產(chǎn)生控制信號 u， PWM 比較器將 u 和固定頻率 50KHz

7、的鋸齒波比較，輸出一組控制脈沖控制功率開關(guān) 管 IGBT 的導(dǎo)通和 關(guān)斷，維持輸出電壓相對穩(wěn)定。 四、主要單元電路設(shè)計4.1 、DC-DC 升壓變換器主回路設(shè)計該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖 1 所示的電路。該變換電路設(shè)計主要是確 定關(guān)鍵 元件：輸出濾波電容 C、電感L、開關(guān)管VT和二極管D。(1) 輸出濾波電容的選擇假設(shè)輸出濾波電容 C必須在VT導(dǎo)通的TON期間供給全部負載電流，設(shè)在C I 0TONTON期間C上的電壓降U0 , U0為要求的紋波電壓。那么 又因TON U0 U I TC I0 (U0 U I )為 U 0 ，所以f U 0 U 0 ，選擇開關(guān)頻率等于 50KHz ，在本設(shè)計給定的條件

8、及要求下，計算輸出濾波電容的值為：1000歷，實際選擇 1000pF/50V的電容。(2) 儲能電感的選擇 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兩部 分。假假設(shè)忽略電路的內(nèi)部損耗，那么變換器的輸出能量和變換器的輸入能量相I0 UU I0 I 0 T即從UI II U 0 I0 ，所以TOFF等，即入電感的平均電流IU I TON 電感電流的紋波分量是三角波，在其減少量為TON 期間，電流的增量為 I L ；在I(U 0 U I )TOFF TOFF 期間，電流將下降， I L ；在穩(wěn)態(tài)下，I I。在選擇厶I時，一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電 流Ui Ton1.4Ii的

9、20%，以免使電感飽和；同時流過電感中的電流最小值也應(yīng)大于或 等于零。實際設(shè)計時，選擇電感電流的lUiTonUi Uo Ui Ui2 Uo Ui21.4I i o1。f uo 1.4 f U o2 |ou 1，在開關(guān)頻率選擇 50kHz和給定的條件 及要求下，計 算電感量為2oo血，實際選擇22o 口 H的電感。電感可以買成品 也可 自己繞制。3 開關(guān)管的選擇開關(guān)管VT在電路中承受的最大電壓是Uo，考慮到輸入電壓波動和電感的 反峰尖刺電壓的影響，所以開關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足1.1X 1.2Uo。實際在 選定開關(guān)管時，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 1.1 X 1.2U

10、o。開關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇23 II。開關(guān)管的選擇，主要考慮開關(guān)管驅(qū)動電 路要簡單、開關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計選擇IGBT作為開關(guān)管，滿足設(shè)計要求。4 續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為uo，流過的電流是輸入電流II，所以在 選擇二極管時，管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的MBR10100C ，10A ，完全滿足3 所示：余地。另外選 擇續(xù)流二極管時還要求導(dǎo)通電阻要小，開關(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)計選用 T 其最大方向工作電壓為 100V ，最大正向工作電流為 設(shè)計要求。4.2 、電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計Boost 電路的電壓

11、閉環(huán)控制系統(tǒng)很容易設(shè)計，其框圖如圖圖 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PID 控制器主要根據(jù)參考信號 Uref 和反響(輸出)信號 U0 得到的誤差信號來 計算控制量u，用以控制開關(guān)的占空比，常用的PID控制器有 PI 和 PID 兩種本設(shè)計采用 PI 即比例積分控制器來處理PI 控制器的傳遞函數(shù)為：GP(I S) KP K i 1 S2)PWM 環(huán)節(jié)設(shè)計原理在開關(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，其原理圖如圖 4 所 示。因此 PWM 環(huán)節(jié)將 控制量 u 由電壓信號轉(zhuǎn)換為時間信號 D。 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)通過上面輸出與輸入電壓的關(guān)系可得E 1 D五、 mtlable 仿真及結(jié)果5.1simulink 仿真總原理圖5.2 仿真結(jié)果顯示Q-5 Q之間變化時的情況(1)當輸入電壓為15V時，負載電阻為10 Q時的結(jié)果如以下圖：仿真結(jié)果放大紋波情況如以下圖：通過上圖可知輸出電壓紋波 <200mV 要求2當輸入電壓為15V時，