电力电子课程设计——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：12-24 V，输出电压42 V，输出电压纹波<200 mV，负载电阻10 Ω，开关频率50 kHz。

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10 Ω跳变到5 Ω；

b)输入电压由12V跳变到24 V。

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1 DC-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：t L U I i I ?+=LV L ，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：

ON LV LP T L U I I I ?+=，iL 的增量为ON I T L U ?。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

dt di L U U u L I L =-=0，所以流过储能电感L 的电流为：

t L U U I i I LP L ?--=0，当开关管VT 截止结束时，流过电感L 的电流为OFF I LP LV L T L U U I I i ?--==0 ，iL 的减少量为OFF I T L U U ?-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OFF I ON I T L U U T L U ?-=?0，所以：

I I ON I OFF U q U T T T U T T

U ?-=?-=?=110，其中

T T q ON =。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2 DC-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

00U T I C ON ?≥ ，又因为T U U U T I ON 00-=，所以 000

0)(U U f U U I C I ???-≥，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00I U I U I I =，所以LV OFF I I I T T I U U I I ===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L T U I ON

I =?+；在TOFF 期间，电流将下降，其减少量为

L T U U I OFF

I )(0-=

?-；在稳态下，I I ?-=?+。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I ON I I L T U I 4.1≤=?，所以

020*******.1)(4.1)(4.1I U f U U U U f U I U U U U I T U L I I I I I I ON I ??-≥??-≥≥，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3 Boost 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： S K K S G P PI 1

i +=）（

（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D E U -=11

。

五、mtlable 仿真及结果

5.1simulink 仿真总原理图 Continuous powergui v

+

-Voltage Measurement Series RLC Branch3Series RLC Branch2Series RLC Branch1Scope

Saturation Repeating

Sequence >=Relational Operator 1

s Integrator g m C E

IGBT1-K-

Gain1

5Gain

m

a k

Diode

DC Voltage Source 42

Constant

Add1Add

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<200 mV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<200 mV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<200 mV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<200 mV要求。