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1、电力电子课程设计报告设计课题：BOOST变换器的设计与实现专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：目录一 课程设计目的和意义二 技术指标和设计要求三 设计方案四 BOOST 电路的设计4.1. boost 电路工作原理4.2. 电感设计4.3. 电容值计算4.4 功率管参数五 控制电路设计5.1 UC3843 脉宽调制的特点5.2 UC3843 工作原理5.3 UC3843控制的BOOST变换器5.4 补偿电路设计六 BOOST 变换器仿真6.1 仿真模型6.2 仿真结果七 实验结果八 心得体会参考书目附件课程设计目的和意义1. 进一步熟悉BOOST斩波电路的工作原理。2. 熟悉电力电子变换器
2、设计的一般原则，掌握斩波器工程设计的方法。3. 掌握电力电子变换器的计算机仿真技术。4学会收集、分析、运用有关资料和数据。5通过对系统的设计与调试, 培养独立工作能力、分析问题解决问题的能力。6. 培养编制技术总结报告的能力。二 技术指标和设计要求2.1. 技术数据输入电压： 15V输出电压：30V负载电流： 0.3-0.8A开关频率： 40KHZ效率：大于 70%输出电压纹波(AU o) 300mV2.2. 设计要求(1) 、根据提供的技术数据，设计 BOOST 主电路参数。(2) 、采用UC3843芯片的控制电路，要求具有软启动功能、保护封锁脉冲功能, 以及限流控制功能。并在万能板或通用板
3、上搭建设计的控制电路。(3) 、进行电路仿真与调试。( 4)、测试电路性能。( 5 )、撰写课程设计报告。三 设计方案首先根据技术指标设计电路参数，用仿真验证参数的正确性。本次课程设计基于PWM芯片UC3843进行设计，通过查阅该芯片的相关资料, 了解其各引脚功能，结合设计要求进行电路设计，控制电路采用闭环控制以满足 输出稳定的要求。根据设计的控制器原理图在实验板上搭建控制电路进行试验， 最后得出DC/DC PWM控制器的实验电路。根据设计的主电路参数，合理选择功率元器件，并制作功率电感。在实验板 上焊接器件，并与控制电路联调，达到技术指标的要求。四BOOST电路的设计4.1 BOOST 电路
4、工作原理BOOST电路图及波形图如图4-1所示。Q管导通时，输入电压加到储能电感L两. u . 端,二极管D被反向截止，流过电感的电流近似是线性增加的。即：；一 lv+ L 其中I是流过储能电感电流的最小值。在开关管VT导通结束时，流过电感L的LVI = I +U - TU 丁电流为：LP LV L ON，i的增量为L TON o Q管截止时，二极管正向偏置而L导通，电源功率和储存在L中的能量通过二极管D输送给负载和滤波电容C。储u 二 U U能电感L两端的电压为厶01di二 LLdt所以流过储能电感L的电流为: 7 U - U tZL = 7LP t，其中I流过储能电感电流的最大值。当开关管
5、VT截止结束时,LP.U UU U . T流过电感L的电流为1一 LV - LP L OFF ， i的减少量为 L OFF。在电L路进入稳态后，储能电感L中的电流在开关管导通期间的增量应等于在开关管截J. t = U U t止期间的减量，即L ON L OFF，所以：0 TIOFFTT ION4.1)Tq = ON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。输出电流io=vo/rl,电感平均电流即为输入电流町=打，能量守恒定律出发,可得：Lmin,I = I U /U = U 2/(UR) =UIloo I O I(1 q)2
6、R，由于电感电流增量为Ai = UTL L oN=I Ai /2=LLU UI - I (1q)2R 2LoN当Boos t变换器工作在临界模式时，在一个周期结束时电感L中储藏的能量刚刚释放完毕，这时 I =0 ，此时的电感量被称为临界电感， 因此临界电感为 LminL =q(1q)2U oT(4.2)C2 Io假如输出滤波电容C必须在Q导通的T期间供给全部负载电流，设在T期ON ONC I ON间C上的电压降U , U为要求的纹波电压。则0 AU0 ，又因为0 0 0F U U，T = o I TON U0厂、I (U U )C o o I所以f -Uo - AU0(4.3)式中 f 为开关
7、频率图 4-1 BOOST 电路及波形图4.2 电感设计(1)电感值计算根据式（4.2）计算临界电感，实际所选电感应比临界电感大。q=# 按最小电流时保持电感电流连续选择电感。oL=q（l q）UTo =2I实际取L=*mH,可使纹波电流小0。）（2）电感设计 L 中电流时单向流动的，流过绕组的电流具有较大的直流分量，并叠加一 个较小的交流分量，属于第三类工作状态。因此磁芯最大工作磁密可以选的很高， 接近于饱和磁密；l L的电流最大值为I二I + AI二*A（考虑到1.2倍过载，纹波按L i max 2 max最大电流的 20%计算）； 初选磁芯大小。初步选择EI28的磁芯，其有效导磁面积A二
8、86mm2 ；e 初选一个气隙大小，以计算绕组匝数。取气隙0.5mm，由式子卩N2Ae得：L 5f二*卩A0 e实际取*匝 核算磁芯最高工作磁密Bm。由下式计算得:B =卩0叫皿）=*m5PC40磁芯的饱和磁密为B二500mT，显然B B，符合要求。 sm s 计算绕组的线径。输出滤波电感电流有效值大约I =*A，取电流密度 Lf为J = 4A/mm2，用线径为d = 0.21mm的漆包线，则需要其根数为:N = J 兀（d/2） 2* 核算窗口面积。当用*根由线径为0.21mm的漆包线来绕制时，其总的导电面积为：S二兀X线径2 X根数X匝数(4.4)Lf4取填充系数K = 0.5，则需要磁芯
9、的窗口面积为：uA = LfK 二*CWK u手册表明，EI28的窗口面积为A 二68.6mm2，大于所需窗口面积，因此可CW以绕下。 从前面的分析中可知，用EI28磁芯来绕制输出滤波电感是可以的。4.3 电容值计算根据式(4.3) c n 丫 :/I =f AU x U x f输出电容大一点，有禾利于减小输出电压纹波，所以选220uF，由于最大输出电压为30V，选电容的耐压值为50V。4.4 功率管参数开关管Q的选取该电路的输出电压30V,则开关管耐压值为100V,电流的最大值为I 二 I+Ai/2 二 2.4A +(2.4Ax 10%)/2 二 2.52A，其开关频率为f = 40KHz，
10、因Qp i max此选用的IRF641，其额定值为150V/16A.开关二极管D的选取开关二极管所承受的最大反向电压为30V；在I = 2A时，二极管电流的有效值i为I = I J匸刁=2A xfT二05 = 1.414A ；开关二极管的工作频率为f=40KHz。考D i咒虑一定的裕量，选用快速二极管MUR410，其电压和电流额定值为：100V/4A五 控制电路设计5.1. UC3843 脉宽调制的特点UC3843具有功能全，工作频率高，引脚少外围元件简单等特点，它的电压调整率可达0.01%V,非常接近线性稳压电源的调整率。工作频率可达500kHz，启动电流仅需1 mA，所以它的启动电路非常简
11、单。下面是它的主要特性：最优化的离线DC-DC变换器低静态电流(1mA)快速自动补偿电路单步脉冲控制电路增强负载回馈特性断电停滞特性双脉冲抑制大电流标识输出内置能隙参考电压 500kHz的工作频率低Ro过零放大器5.2、UC3843 工作原理UC3843有4种封装形式，一种是14pin双列直插和SOP-14，另一种是8pin双 列直插和SOP-8。我们以最简的8pin封装简述其工作原理。图 5-1 UC3843 原理示意图pin(1)是补偿端，外接电阻电容元件以补偿误差放大器的频率特性。第(2)脚是反 馈端，将取样电压加至误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进 行比较，输出误差控制
12、电压。第(3)脚接过流检测电阻,组成过流保护电路。 RT/RC 为锯齿波振荡器的定时电阻和电容的公共端，内部基准电压为VREF=5V。5.3、UC3843控制BOOST变换器UC3843控制BOOST变换器如图5-2所示，UC3843是这个开关的电源的核心 元件，它产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止， 通过 R6 和 R7 取样电阻取出输出电压送到 UC3843 的误差放大器，与基准电压 比较产生控制电压，控制输出脉宽的占空比，从而达到稳压目的。图中输入电压Vi既供给芯片，又供给升压变换.开关管以UC3843控制芯片 设定的频率周期开闭，使电感L储存并释放能量.当开关
13、管导通时，电感以v/L 速度充电，把能量储存在L中.当开关管截止时，L产生反向感应电压，通过二 极管D把储存的电能以（U-Vo）/L的速度释放到输出电容器Cs中.输出电压i 由传递的能量控制，传递的能量通过电感电流的峰值控制整个稳压过程由 2 个闭环控制闭环 1 中，输出电压通过取样后反馈给误差放大器，同放大器内部 的 2.5V 基准电压比较后产生误差电压，误差放大器控制由负载变化造成的输出 电压的变化闭环2中， R 为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导4通期间，流经电感L的电流在R上产生的电压输送至PWM比较器同相输入端，4 与误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽，从而保持稳定的输
14、出电压误差信 号控制峰值电感电流振荡电容为4700pf.在4脚对地接一个4700pf的电容，而在8脚对4脚接一个10K 的电阻，构成的一个振荡环节，产生一个锯齿波电压。保护电路的设计：根据UC3843的设计，第(3)脚接过流检测电阻，组成过流 保护电路，第3脚电压大于1伏时，就没有输出脉冲，所以功率管源极电阻R4上电压超过1伏就会保护，设久为过载系数(取1.2)，I为最大输入电流峰值, imax前面已计算为2.4A，V为基准电平1伏，则R =1/2.4=0.417欧姆，取0.4欧姆。4R6 是功率管栅极的限流电阻。5.4、补偿电路设计根据参考资料，BOOST变换器原始回路增益函数G(s)为:(5.1)(1- s / )G (s)=KO P 1 + s / P式中：K=与笄=*，其中RW为负载电阻、RS为功率管源极电流取S样电阻，w =*zL2w =P RC*在图5-2输出电压取样电路中，取R=55K，输出电压30伏，而UC3843内部的基6准电压是2.5 伏, R=5K，
