DCDC变换器设计总结

湖北工业大学1DC-DC变换器设计论文院系班级指导老师组别组员二〇一六年一月十五日湖北工业大学2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，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。随之出现了诸如降压湖北工业大学3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。湖北工业大学4目录一、设计要求以及小组工作分配…………………………6二、设计方案分析………………………………………………72.1全控型器件MOSFET管的介绍………………………72.2、DC-DC升压斩波电路的工作原理…………92.3、斩波电路输入输出电压的关系……………………102.4、DC-DC升压斩波电路稳压原理……………………11三、主要单元电路设计…………………………………………123.1、控制电路原理与设计………………………123.2、驱动电路原理与设计…………………………133.3、保护电路原理与设计…………………………153.4、PIC16f887单片机介绍…………………………16湖北工业大学5四、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6一、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-DC变换电路:要求与提示：1、当输入电压Ui在10~15V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0~1A;3、试计算电源效率%10012IUIUPPioio4、主电路可以采用boost电路（升压电路），控制电路可以采用PIC16F8872.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-DCI1I2UiUo+_+_湖北工业大学7二、设计方案分析1.全控型器件MOSFET管的介绍1.1简单介绍MOSFET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。1.2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。导电机理与湖北工业大学8小功率MOS管相同，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。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。湖北工业大学92.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1I，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压0u为恒值,记为0U。设V通的时间为ont，此阶段L上积蓄的能量为E1Iont。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offt，则此期间电感L释放能量为：offt10E)I-(U稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等offontIEUt101)(EI化简得：EtTEttoffoffoffontU0湖北工业大学10上式中1tToff，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。offtT——升压比，调节其即可改变0U。将升压比的倒数记作β，即Tofft。和导通占空比，有如下关系：1因此，式（1-2）可表示为：E-11E1U0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，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EtTEttoffoffoffontU0输入电压为输入直流电压范围：10V~15V，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：4321湖北工业大学114.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湖北工业大学12三、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。湖北工业大学133、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：(1)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；(2)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；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4)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；湖北工业大学14(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，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湖北工业大学154、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。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湖北工业大学16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现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。三、晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，最佳方案是用快速熔断器保护。5、PIC16f887单片机简单介绍5.1引脚图湖北工业大学175.2A/D转换步骤如下步骤给出了使用ADC进行模数转换的示例：1）端口配置：•禁止引脚输出驱动器（见TRIS寄存器）•将引脚配置为模拟输