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1、湖北工业大学,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,1,2,湖北工业大学,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（DCChopper）的功能是将直流电变为另一种固定 的或可调的直流电，
2、也称为直流-直流变换器（DC/DCConverter）， 直流斩波电路（DCChopper）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
3、之出现了诸如降压,3,湖北工业大学 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。
4、,4,湖北工业大学,目录,一、设计要求以及小组工作分配6,二、设计方案分析7 2.1 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9 、斩波电路输入输出电压的关系10 、DC-DC 升压斩波电路稳压原理11,三、主要单元电路设计12 3.1、控制电路原理与设计12 3.2、驱动电路原理与设计13 3.3、保护电路原理与设计15 3.4、PIC16f887 单片机介绍16,5,湖北工业大学,四、总电路设计与调试19,五、附录23,六、总结26,七、致谢13,湖北工业大学 一、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-
5、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 Po Uo I 2 100%,PiUi I1 4、主电路可以采用 boost 电路（升压电路），控制电路可以采用 PIC16F887,2.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,DC-DC,I1,I2,Ui,Uo,+,_,+,_,6,7,湖北工业大学,二、设计方案分析 全控型器件 MOSFET 管的介绍 简单介绍 M
6、OSFET 的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor 金属氧化物 半导体），FET（FieldEffectTransistor 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（MetalOxideSemiconductorFET），简称功率 MOSFET （PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 （StaticInductionTransistor-SIT）。其特点是用栅极电压来控制 漏极电流，驱动电路简
7、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。 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,湖北工业大学 功率 MOS 管
8、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 （VerticalMOSFET），大大提高了 MOSFET 器件的耐压和耐电流能力。 图 6MOSFET 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。
9、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。,8,湖北工业大学,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
10、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I1 ，同 时 C 的电压向负载供电，因 C 值很大，输出电压u0 为恒值,记为U 0 。 设 V 通的时间为t on ，此阶段 L 上积蓄的能量为 E I1 t on 。 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toff ， 则此期间电感 L 释放能量为： (U0 - E)I1toff 稳态时，一个周期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等 EI1ton (U0 E)I1toff 化简得：,t,t,off,off,E TE, t on toff,U,0,9,湖北工业大学
11、 上式中T t 1，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。 off,off,T t,升压比，调节其即可改变U 0 。将升压比的倒数记作，即,T,off,t, 。和导通占空比，有如下关系：, 1,因此，式（1-2）可表示为：,0,1 1- ,U 1 E ,E,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，
12、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,T,tt,offoff,E E, t on toff,U,0,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： 1 3 24,110,湖北工业大学,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
13、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,111,湖北工业大学,三、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
14、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。,112,湖北工业大学,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： 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； 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； 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率； 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；,113,湖北工业大学,(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
15、，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,114,湖北工业大学,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
16、。 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,115,116,湖北工业大学,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
