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：12-24V，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：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：S K K S G P PI 1i
+=）（
（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 -=110。

五、mtlable 仿真及结果
5.1simulink 仿真总原理图
5.2仿真结果显示
Ω-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
Ω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。