电力电子课程设计报告

电力电子技术课程设计课题：48WBUCK/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PWMDC/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PWMDC/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。2V1QDLCRL+-V2Io图表1BUCK-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3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++-VinQDLfCfRLD-+VoiLf++-VinQDLfCfRLD-+VoiLf(a)Q导通(b)Q关断，D续流图表3buck/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1[0～ton]：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：fLfindiLVdt(2-1)ooLDVIR(2-2)ofodVCIdt(2-3)t=ton时，电感电流增加到最大值maxLi，Q关断。在Q导通期间电感电流增加4量fLifinLyfViDTL(2-4)b.在开关模态2[ton~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，fLi在输出电压Vo作用下下降：fLfodiLVdt(2-5)foooLfofLDdVdVViCICdtdtR(2-6)t=T时，fLi见到最小值minLi，在ton~T期间fLi减小量fLi为：(1)fooLoffyffVVitDTLL(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fLi的增长量应等于Q关断期间fLi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：1yoinyDVVD(2-8)由(2-8)式，若Dy=0.5，则Vo=Vin；若Dy0.5，则VoVin；反之，Dy0.5，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1yioyDIID(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1inoceDinoyyVVUUVVDD(2-10)由图1-2可见，电感电流平均值fLi等于Q和D导通期间流过的电流平均值IQ和ID之和，即：5maxmin2fLLLQDiiiII(2-11)maxminfinLLLyfViiiDLf(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(1)fooLyLDVIIDR(2-13)finLyIID(2-14)电感电流最大值maxfLi和最小值minfLi为：max122ffffinLLLLyfViIiIDLf(2-15)min122ffffinLLLLyfViIiIDLf(2-16)开关管Q和二极管D电流的最大值maxQi、maxDi等于电感电流最大值maxfLimaxmaxmax1(1)212fffooQDLLLyyfIViiiIiDDLf(2-17)Q导通期间，电容Cf电压的变化量即输出电压脉动oV由Q导通期间fC放电量fCoyQIDT计算，因fCfoQCV，故oyofIDVCf(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inV：直流18~72V;(2)输出电压oV：直流24V;6(3)输出功率oP：48W。设定MOSFET的开关频率f为500kHz，电感电流纹波fLi为电感电流平均值fLI的5%，输出电压纹波oV为输出电压oV的2%。设定Mosfet的开关频率f为100kHz，电感电流纹波fLi为电感电流平均值fLI的20%，输出电压纹波oV为输出电压oV的20%。输出端电阻为：12482422OOLDPVR输出端电流为：21224LDOORVI由式(3-8)得占空比为：ininOOyVVVVD2424=（0.25~0.57）由式(3-9)得输入电流为：yyyyoinDDDDII121=（0.67A~2.65A）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：yoceDVU=（42V~96V）由式(3-13)得电感电流平均值为：DyIoIf1=（2.67A~4.65A）电感大小为：i0.424(1)0.26LoLdLudtiALLVtDTLmH7电容大小为：cuCi4.820.24CddtuVCAtDTCuF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fL：0.26mH电容fC：2.4F电阻RLD：124.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8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fL：大小0.44mH~1.35mH，流过电流最大值4.783A。电容fC：大小10.146F~23.8F，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：9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：10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116.MATLAB仿真6.1开环仿真图表13Simulink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=188.4μHR1=12ΩC=50.4μF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）：12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13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）：14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15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0＜D＜1/2时实现降压，当1/2＜D＜1时实现升压。且当占空比为0.25~0.571之间是可以满足输入：18～72Vdc，输出：24Vdc/2A的设计需要，且仿真结果与理论结果高度近似。166.2闭环仿真图表25Simulink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