电力电子课程设计报告——直流-直流升压电路分析与设计电动汽车蓄电池充电器设计

..题目1—直流/直流升压电路分析与设计电动汽车蓄电池充电器设计一、技术指标输入电压：12-24V，输出电压42V，输出电压纹波200mV，负载电阻10Ω，开关频率50kHz。二、设计要求1).选择主电路的类型和相应的功率器件，并对功率器件进行设计；2).设计电压单闭环反馈补偿器；3).给出输出电压的仿真结果来验证你的设计：a)电阻由10Ω跳变到5Ω；b)输入电压由12V跳变到24V。三、设计方案分析3.1、DC-DC升压变换器的工作原理DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。图1（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。电路的工作原理是，当控制信号Vi为高电平时，开关管VT导通，能量从输入电..源流入，储存于电感L中，由于VT导通时其饱和压降很小，所以二极管D反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi为低电平时，开关管VT截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。电路各点的工作波形如图1（b）。图1DC-DC升压式变换器电路及工作波形3.2、DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系假定储能电感L充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT导通时，忽略管子的导通压降，通过电感L的电流近似是线性增加的。即：tLUIiILVL，其中ILV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的电流为：ONLVLPTLUIII，..iL的增量为ONITLU。在开关管VT关断时，续流二极管D导通，储能电感L两端的电压为dtdiLUUuLIL0，所以流过储能电感L的电流为：tLUUIiILPL0，当开关管VT截止结束时，流过电感L的电流为OFFILPLVLTLUUIIi0，iL的减少量为OFFITLUU0。在电路进入稳态后，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止期间的减量，即OFFIONITLUUTLU0，所以：IIONIOFFUqUTTTUTTU110，其中TTqON。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。3.3、DC-DC变换器稳压原理通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截止时间TOFF不变，通过改变脉冲的频率f来维持输出电压U0的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方式DC-DC变换器；第二可以保持脉冲的周期T不变，通过改变开关管的导通时间TON，即脉冲的占空比q，以实现输出电压的稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方式DC-DC变换器。由于目前已经有各种型号的集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采用PWM控制方式。图2是DC-DC升压稳压变换器的原理图，它主要有取样电路、比..较放大、PWM控制器和DC-DC升压变换器组成。其稳压原理是，假如输入电压UI增大，则通过取样电阻将输出电压的变化（增大）采样，和基准电压相比较通过比较放大器输出信号去控制PWM控制器输出脉冲占空比q的变化（减小），结果可使输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM控制器输出脉冲占空比q也自动变化（增大），输出电压仍能稳定。图2DC-DC升压稳压电路的组成图2基本原理：系统输出电压（U0）经过采样后与基准电压Uref比较得到误差信号，经过PI控制器产生控制信号u，PWM比较器将u和固定频率（50KHz）的锯齿波比较，输出一组控制脉冲控制功率开关管IGBT的导通和关断，维持输出电压相对稳定。..四、主要单元电路设计4.1、DC-DC升压变换器主回路设计该升压电路结构选择图1所示的电路。该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管VT和二极管D。（1）输出滤波电容的选择假如输出滤波电容C必须在VT导通的TON期间供给全部负载电流，设在TON期间C上的电压降≤△U0，△U0为要求的纹波电压。则00UTICON，又因为TUUUTION00，所以0000)(UUfUUICI，选择开关频率等于50KHz，在本设计给定的条件及要求下，计算输出滤波电容的值为：1000μF，实际选择1000μF/50V的电容。（2）储能电感的选择根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。假若忽略电路的内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即00IUIUII，所以LVOFFIIITTIUUII000，即从电源取出的平均电流也就是流入电感的平均电流。电感电流的纹波分量是三角波，在TON期间，电流的增量为LTUIONI；在TOFF期间，电流将下降，其减少量为LTUUIOFFI)(0；在稳态下，II。在选择△I时，一般要求..电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。实际设计时，选择电感电流的增量IONIILTUI4.1，所以0200200004.1)(4.1)(4.1IUfUUUUfUIUUUUITULIIIIIIONI，在开关频率选择50kHz和给定的条件及要求下，计算电感量为200μH，实际选择220μH的电感。电感可以买成品也可自己绕制。（3）开关管的选择开关管VT在电路中承受的最大电压是U0，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足＞1.1×1.2U0。实际在选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地，一般选择（2~3）1.1×1.2U0。开关管的最大允许工作电流，一般选择（2~3）II。开关管的选择，主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。本设计选择IGBT作为开关管，满足设计要求。（4）续流二极管的选择在电路中二极管最大反向电压为U0，流过的电流是输入电流II，所以在选择二极管时，管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的余地。另外选择续流二极管时还要求导通电阻要小，开关频率要高，一般要选用肖特基二极管和快恢复二极管。本设计选用MBR10100CT，..其最大方向工作电压为100V，最大正向工作电流为10A，完全满足设计要求。4.2、电压闭环控制系统的设计Boost电路的电压闭环控制系统很容易设计，其框图如图3所示：图3Boost电压闭环控制系统（1）PID控制器传递函数的设计PID控制器主要根据参考信号Uref和反馈（输出）信号U0得到的误差信号来计算控制量u，用以控制开关的占空比，常用的PID控制器有PI和PID两种。本设计采用PI即比例—积分控制器来处理。PI控制器的传递函数为：SKKSGPPI1i）（（2）PWM环节设计原理在开关电源控制系统中，PID控制器的输出u为直流电平，与锯齿波相比较，得到占空比D随u变化的PWM信号，其原理图如图4所示。因此PWM环节将控制量u由电压信号转换为时间信号D。..图4锯齿波PWM调制原理（3）Boost主电路传递函数Boost升压电路的传递函数通过上面输出与输入电压的关系可得DEU110。五、mtlable仿真及结果5.1simulink仿真总原理图Continuouspowerguiv+-VoltageMeasurementSeriesRLCBranch3SeriesRLCBranch2SeriesRLCBranch1ScopeSaturationRepeatingSequence=RelationalOperator1sIntegratorgmCEIGBT1-K-Gain15GainmakDiodeDCVoltageSource42ConstantAdd1Add..5.2仿真结果显示5.2.1当输入电压在15V时，负载电阻在10Ω-5Ω之间变化时的情况（1）当输入电压为15V时，负载电阻为10Ω时的结果如下图：仿真结果放大纹波情况如下图：..通过上图可知输出电压纹波200mV要求（2）当输入电压为15V时，负载电阻为5Ω时的结果如下图：仿真结果放大纹波情况如下图..通过上图可知输出电压纹波200mV要求5.2.2当负载电阻在10Ω时，输入电压在12-14V之间变化时的情况（1）当输入电压为15V时，负载电阻为10Ω时的结果如下图：仿真结果放大纹波情况如下图：..通过上图可知输出电压纹波200mV要求（2）当输入电压为24V时，负载电阻为10Ω时的结果如下图：仿真结果放大纹波情况如下图：..通过上图可知输出电压纹波200mV要求。..