boost变换器设计报告
(完整word版)电力电子课程设计Boost变换器
电力电子技术课程设计班级学号姓名目录一．课程设计题目 (2)二．课程设计内容 (2)三．所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形) .. 2 四．电路的设计过程 (3)五．各参数的计算 (3)六．仿真模型的建立，仿真参数的设置 (3)七．进行仿真实验，列举仿真结果 (4)八．对仿真结果的分析 (6)九．结论 (7)十．课程设计参考书 (7)一．课程设计题目Boost变换器研究二．课程设计内容1．主电路方案确定2．绘制电路原理图、分析理论波形3．器件额定参数的计算4．建立仿真模型并进行仿真实验6．电路性能分析输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等三．所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形 )分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感 L 值很大，电容 C 值也很大。
当可控开关V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C 上的电压向负载R供电。
因C 值很大，基本保持输出电压u?为恒值，记为 U O。
设 V 处于通态的时间为ton ,此阶段电感L上积累的能量为EI1ton 。
当V处于断态时E和 L共同向电容 C 充电并向负载 R提供能量。
设 V 处于断态的时间为toff ,则在此期间电感 L 释放的能量为UEI1toff 。
当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即EI1tonUE I1toff化简得ton toff TU 0 Et off t off升压斩波电路原理及工作波形四．电路的设计过程1.直流电压源参数设置：直流电源电压为100V2.电容、电感、电阻参数设置：C 0.7 10 4 F , L 10mH , R 103.脉冲发生器模块的参数设置：振幅设置为 1V ，周期为 0.001s（即频率为500HZ），脉冲宽度为 20%五．各参数的计算1.占空比的计算占空比为 0.22.输出平均电压U 01E 125V 1六．仿真模型的建立，仿真参数的设置启动 MATLAB7.0 ，进入 simulink 后新建文档，绘制直流升压斩波变换电路模型图，双击各模块，再出现的对话框里设置各参数。
宽输入DC-DC Boost变换器电感参数设计
Boost变换器的拓扑结构电路。
根据电感电流的最小值是否为零，可将Boost 变换器工作模式分成电流连续模式(CCM)、电流临界连续模式（CRM）和电流断续模式(DCM)。CCM模式下Boost变换器电感电压和电流波形。
Boost变换器的CCM模式和DCM模式的临界电感LB为[4]：
(1)输入电压的变化范围12 V～36 V，得出占空比D的变化范围为0.25～0.75。
(2)由式（2）得出占空比在0.25和0.75时所对应的临界电感分别为67.5 H和22.5 H。
(3)由于1/3∈(0.25，0.75)，临界电感在占空比1/3时取得最大值，则电感的最小值由式（8）得Lmin=71.1 H，此时所对应的输入电压为32 V。上述输入电压，占空比和临界电感对应关系如表1所示。
由表3可知，Boost变换器工作在CCM模式时，其最小电感等于临界电感的最大值。当最大占空比Dmax<1/3时，最小电感在Dmax处取得；当最小占空比Dmin>1/3时，最小电感在Dmin处取得；当1/3∈(Dmin，Dmax)时，最小电感在D=1/3处取得。
由此可见，仿真结果与理论分析一致，从而验证了理论分析的准确性。
3 仿真验证
为了验证上述理论分析，对Boost变换器进行仿真研究。其参数如下：输入电压UI为12 V～36 V，输出电压UO为48 V，负载电阻为48 ，输出滤波电容值为100 F，开关频率50 kHz。
将输入电压范围分12 V～24 V、12 V～36 V、33 V～36 V 3种情况进行讨论。首先分析输入电压12 V～36 V，其CCM模式电感的最小值确定方法如下：
对图4和表2进行分析，可得输入电压在12 V~36 V变化，电感值71.1 H能保证Boost变换器均工作在CCM模式，而它正好是D=1/3所对应的临界电感值。这说明当1/3∈(Dmin，Dmax)时，要使Boost变换器均工作在CCM模式，电感的最小值应为D=1/3所对应的临界电感值。
Boost变换器工作原理与设计
F /W
Co
2Pout Δt Vo2 Vo2(min)
三 小信号模型的建立(状态空间平均法)
Ld
i(t) Ts dt
vg
Ts
d(t) ( vg
Ts
v(t) Ts )(1 d(t))
内，从电网上吸收的功率与变换器的输出功率有如下关系：
Pout Pin
其中 为变换器的效率，则在低压输入时变换器的输入电 流峰值为：
I pk
2Pout
Vin-min •
L Vinmin 2 • Dmin 0.2Ipk • f
输出电容的选择考虑开关纹波电流、二次谐波电流、输出直流电压 、输出纹波电压和保持时间等因素，其中保持时间 一般取为 15~50ms。输出电容的典型值为1~2 。保持时间由输出电容里存储
Kcrit D(1 D)2 2L
K RTs
二、 Boost变换器的主要应用
输入电感决定了输入端的高频纹波电流总量，为了确保
变换器运行于CCM模式，输入电感L保证在低压输入（85V）
的纹波电流大约为输入电流尖峰的20%，由此来确定输入电
感的大小。 假定电路中的元件均为理想元件，则在工频时间范围
DT
输入电流有效值根据输出电容的安秒平衡可得：
V R
DT
(IL
V )(1 R
D)T
0
IL
V (1 D)R
Vg (1 D)2
R
输出电压的纹波大小：v V DT
2RC
DCM状态下的BOOST
I
1 2Ts
D1Ts
Vg L
D1Ts
Boost变换器工作原理与设计
选择磁芯材料
根据工作频率和电感值， 选择合适的磁芯材料，以 确保电感的性能和效率。
确定线圈匝数
根据电感值、线圈直径和 磁芯材料，计算线圈匝数， 以获得所需的电感性能。
二极管选择
1 2
选择合适的二极管类型
根据工作电压、电流和开关频率，选择合适的二 极管类型。
确定额定电流和电压
根据最大输出电流和电压，选择二极管的额定电 流和电压。
重要性
Boost变换器在许多应用中都非 常重要，如分布式电源系统、电 动汽车和可再生能源系统等。
Boost变换器的历史与发展
历史
Boost变换器最初在20世纪80年代 被提出，随着电力电子技术和控制理 论的不断发展，其性能和效率得到了 不断提高。
发展
目前，Boost变换器已经广泛应用于 各种领域，并且随着新能源和电动汽 车的快速发展，其需求和应用前景仍 然非常广阔。
当开关管关断时，电感释放所 储存的能量，通过二极管和输 出电容向负载提供电流，同时 输出电压逐渐升高。
通过控制开关管的通断时间， 可以调节输出电压的大小。
电感的作用
电感在开关管导通时 储存能量，在开关管 关断时释放能量。
电感的值决定了输出 电压的大小和开关频 率。
电感的作用是调节电 流和维持输出电压的 稳定。
小型化
随着电子设备的小型化和集成化，减小Boost变换器的体积成为 未来的重要发展方向。
智能化
随着人工智能和物联网技术的发展，实现Boost变换器的智能化 控制和远程监控成为未来的重要发展方向。
THANKS
感谢观看
02
Boost变换器的工作原理
工作原理概述
Boost变换器是一种DC-DC转换 器，用于提高直流电压。
《电子制作实践》TL494-BOOST变换器 总结
《电子制作实践》报告班级：13应电2姓名：郭荣学号：1305220107一、电路功能：1、总功能1）电路名称：TL494-BOOST 变换器2）实现的功能：直流输出电压可调范围为30～36V ,效率高达90 %，具有过流、过压保护并可实时显示输出电压与电2、设计参数：输出电压o U =36V 。
输出波纹电压O U ∆<1V 。
最大输出电流(max)o I =1A 。
当输入电压i U =9~16V 变化时，电源调整率V S <1.4%。
当输出电流O I =0.2~1.0A 时，负载调整率I S <8.3%。
变换器在满载时的效率为85≥η%。
输出功率36W 。
二、电路原理图三、电路分析整个电路主要由TL494控制电路、电压取样电阻、基准电源、差分放大器、开关调整管、储能电感、储能电容和续流二极管等组成。
TL494的作用：TL494是一个独立的死区时间比较器，控制比较器输入端（4脚）的电位，除可以改变调制器的死区时间之外，还可以用它设计电源的软启动V 电路，或者欠压保护电路。
TL494中的2个误差放大器可以分别控制输出电压o 稳定和做输出过电流保护一类的作用。
肖特基二极管：主要起续流作用，即在MOS开关管闭合时，肖特基二极管的正极电压比负极电压低，此时二极管反偏截止，使此电感的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电。
四、印制板（自己布的板）1、元件面图（禁布层keep out layer+丝印层topover layer）2、底层走线图（禁布层keep out layer+bottom layer+multi layer）五、电子制作实物图自己的板的实物图小组焊接板的实物图（元件面、焊接面）六、制作总结1、protel的布板总结和心得花了几天时间，用protel dxp2004布了一块单面板并且成功打印出来了。
这是我第一次布板并且通过打印、腐蚀、钻孔等操作成功制作出的电路板。
收获很大现在写点自己的心得。
Boost变换器的设计与仿真
目录摘要 (3)第一章绪论 (4)1. 1研究背景 (4)1.2 boost变换器的国外研究现状 (6)1.3 Boost变换器的国内现状 (7)1.4 基于PID对Boost变换器的研究现状 (8)1.5与Boost变换器的控制方法 (10)1.6本文内容安排 (11)第二章DC-DC变换器基础 (11)引言 (11)2.1 Boost变换器的基本原理 (12)2.2 Boost变换器在CCM模式下的工作原理 (13)2.3 Boost变换器在DCM模式下的工作原理 (16)2.4 Boost变换器在CCM/DCM的临界条件 (18)2.5 PID控制的原理与分析 (19)2.6 本章小结 (21)第三章 Boost变换器设计 (23)引言 (23)3.1 Boost变换器性能指标 (23)3.2 Boost电路的参数设计 (23)第四章 Boost变换器的仿真及分析 (28)引言 (28)4.1 建立Boost变换器的仿真模型 (28)4.2 仿真结果 (28)4.3 本章小结 (31)第五章总结与展望 (32)致谢 (33)参考文献 (34)摘要科技在不断地发展，人们的生活水平也在不断地提高，人们的生活已经离不开电子产品。
所以对电源的性能要求也是越来越高。
但是能源危机也时日益严重。
为了解决这一问题，可再生的能源正在不断地发展与利用。
但是，在可以再生的能源中，输出的电压一般都会比较低，大约在20V-50V之间。
而我们用的电压则时在220V左右。
为了解决这一问题，就不得不用到升压变换器。
因此，对Boost 变换器的设计与分析是必不可少的。
本文主要是基于线性PID控制来进行对Boost DC-DC变换器的分析与设计。
通过设计Boost电路的参数，以及对PID的参数进行整定，并用MATLAB进行系统仿真。
从而验证PID控制对Boost变换器设计的可行性。
关键词： Boost变换器， PID控制， MATLAB仿真AbstractWith the continuous development of science and technology, people's living standards are also constantly improving, people's lives have been inseparable from electronic products. Therefore, the performance requirements of power supply are also getting higher and higher. But the energy crisis is getting worse. In order to solve this problem, renewable energy is constantly developing and utilizing. However, in renewable energy sources, the output voltage is generally low, about 20V-50V. The voltage we use is about 220V. In order to solve this problem, boost converter has to be used. Therefore, the design and analysis of Boost converter is indispensable.This paper mainly analyses and designs Boost DC-DC converter based on linear PID control. By designing the parameters of Boost circuit and setting the parameters of PID, the system simulation is carried out with MATLAB. The feasibility of the design of Boost converter based on PID control is verified.Key words: Boost converter, PID control, MATLAB simulation第一章绪论1. 1研究背景现如今，中国经济正在不断蓬勃发展，人们的生活质量与日俱增，在此背景下，多样化科学技术应运而生，使得各种不可再生资源的消耗急剧的增加，关于环境问题日益严重。
电子技术课程设计-boost升压变化器设计[管理资料]
![电子技术课程设计-boost升压变化器设计[管理资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/61391f6f02d276a200292efd.png)
1 绪论选题的背景与意义近几年来，随着现代社会的不断进步，世界的经济将发生巨大变革，知识经济开始替代工业经济，这对世界经济的发展将有很大推动力。
随着神舟飞船的首次载人飞行，嫦娥饶月的的实现，中国的这些高科技技术的成功，让西方国家震惊不已，谁拥有电力电子这种先进的高薪科技产品，谁就掌握竞争的优势。
但是总体说来我国当前电力电子与电力传动技术的水平落后于国际先进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。
因此电力电子交流电路模拟仿真的研究已成为我国的研究热点之一。
电力电子电路最基本的拓扑形式，近年来一些新的电路拓扑形式如谐振型逆变电路、矩阵式变频电路等不断涌现。
人们也期待着通过对电力电子电路拓扑的不断研究，发现一些更新的拓扑形式，使电力电子装置性能更为优良。
电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。
电力电子技术的应用范围已无处不在在如交通系统和电力系统，此外，电力电子技术用于宇宙开发也正在引起人们的广泛关注。
在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。
国内外电力电子技术的现状国外电力电子技术发展的状况自从半导体问世以来，经过几十年来的发展，电力电子技术从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
电力电子技术发展的变换主要体现在器件上[2]，几十年来，以晶闸管为基础的可控硅整流装置使直流传动占据了传动领域的统治地位。
然而，晶闹管毕竟是一种半控型器件，只能导通，不能关断，被称为第一代半导体器件。
Boost变换器原理
Boost变换器原理Matlab建模一、设计内容1、设计原理图1 升压变换器电路图图1是升压变换器的电路图，其中为输入直流电源，S为开关管（在本设计中使用IGBT作为开关管），在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态。
当开关管S导通，输入电流流经电感L和开关管S，开关管两端的电压降为零，电感两端产生电压降，电感电流开始线性增长，电感开始储存能量，此时二级管VD处于关断状态。
当开关管S截止，由于电感电流的连续性，电感L的线圈产生的磁场将改变线圈两端的极性，以保持电感电流不变，因此电感电压在这一时段出现负电压，此电压是由线圈的磁能转化而成的，它与电源串联，以高于的电压向电路的后级供电，使电路产生了升压作用。
此时，电感向后级释放能量，电感电流不断减小，电感电流通过二极管VD到达输出端后，一部分为输出提供能量，一部分为电容充电。
这是升压变换器的一个工作周期，此后变换器重复上述过程工作至稳态过程。
2、输出电压与输入电压的关系若开关管导通时间，关断时间,开关工作周期。
定义占空比为：,升压比为：。
理论上电感储能与释放能量相等，所以当电感电流连续时，输出电压：3、参数设置（1）电源电压设置为直流24V；（2）储能电感设置为3、6E-4 H；（3）RC负载设置：R为24Ω；C为5、4E-5 F；（4）脉冲信号发生器设置：Pulse type、Time(t)、litude、Phase delay(secs)均采用默认设置，Period(secs)设置为25e-6，Pulse Width(﹪ of Period)设置为20。
（5）二极管，IGBT，电压、电流测量量均采用默认值。
4、仿真目的（1）观察占空比变化对输出电压的影响。
更改脉冲发生器中的周期参数，在占空比为20％，40％，60％，80％时，观察波形，估计输出电压的值。
（2）观察开关频率变化对输出电压纹波的影响。
占空比恢复为40％，将脉冲发生器输出驱动信号的频率改为原来的一半（20KHz）和二倍（80KHz），观测并估计两种条件下电压纹波的大小。
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直流稳压电源设计报告
摘要
本作品采用了boost拓扑，利用电感、场效应管和二极管完成了升压的功能，利用Tl494,和IR2110进行反馈控制。
并加上前期的整流滤波电路，实现可以用从市电开始转换。
本作品基本实现了题目的功能，实现了30V到36V，2A的输出。
一、方案比较论证
1.主拓扑方案的论证
方案一：采用反激式变换器。
反激式变换器适合小功率的输
出，输入电压大范围波动时，仍可以有较稳定的输出，并且
可以实现带隔离的DC/DC变换，但其中的反激式变压器设计
比较复杂，且整体效率较低。
方案二：采用boost变换器，boost是一种斩波升压变换器，
该拓扑效率高，电路结构简单，参数设计也比较容易。
方案三：采用SPICE变换器，开关环路的对称性使其可以达
到较高效率，电感的适当耦合也可以尽量减小纹波。
但该方
案成本较高，对电容电感值要求较高，检测和控制电路较为
复杂。
为节约成本，并从简单考虑，本作品选用方案二。
2.控制反馈方案的选择
方案一：系统由Boost模块实现升压任务，各模块所需PWM
信号的由单片机提供，单片机AD采集实时输出量，经运算
后通过改变占空比调整模块工作状态。
该方案电路最简单，
各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比
受单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机
容易受到功率管开关干扰而失灵。
方案二：使用振荡器、比较器产生PWM波，由负反馈电路
实现输出控制，单片机负责状态切换和测量显示，该方案原
理易于理解，但自己装调的PWM电路在开关时容易出现振
铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈
信号要求较高。
方案三：借用现有成熟PWM控制器，该类集成电路输出波
形好，工作稳定，都具备至少一个反馈控制引脚，按照厂商
提供的典型电路就可装调出应用电路。
但这类电路一般针对
专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片
的反馈有极高的控制灵敏度，在单片机参与时需要较多改动。
本作品采用方案三。
二、理论分析和计算
1．电路设计与分析
（1）提高效率的方法
在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有三点：功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。
.
所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。
1．开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。
采用MOS管做为开关管，IRF540型MOS管开关损耗小，其只在导通期间由开关损耗，适合频率比较高的工作场合。
采用肖特基二极管SR560做为续流二极管，耐压高，损耗小。
如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。
2.通过理论和实践验证，电感越大，纹波电流越小，电感损耗越大。
所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。
3.在焊接时合理安排布局，减少开关信号走线的连接，可以在布局布线上减小损耗。
（2）控制回路分析
1.恒压输出：在输出端的电压，经电阻分压送至TL494
的正端比较放大脚。
负端接内部5V基准电压通过1比1分压比较，控制PWM信号，进而达到控制输出PWM波占空比，
再通过IR2110驱动。
经过闭环负反馈系统控制，可以使输出电压恒定。
2 控制方法分析
TL494是高性能固定频率电流模式控制器，电压负反馈均衡控制，每周期由斜波电流峰值关断。
TL494的振荡频率由RT/CT引脚接的电阻电容决定，系统的开关频率为f=1.1/（RT*CT）=70KHz。
PWM以70 KHz的频率控制开关管的导通截止，电感L储存并释放能量。
PWM的占空比越大，开关管的导通时间越长，电感存储的能量越大；相反电感存储的能量越小。
稳压过程有两个闭环系统来控制，分别是恒压输出和过流保护。
恒压输出：在输出端通过电阻分压采集比例电压信号，经电压误差比较器后平滑滤波。
积分器的电容大小影响系统的调节速度，即影响指标中输出的动态响应时间。
当采集的电压小于2.5V电压，使PWM调节器的输出脉宽增加，从而影响输出电压调节幅度。
3.器件选择
（1）整流桥的选择：隔离变压器输出的交流电压为18V，整流
桥的电流最大可达5～6A，为了得到较好的直流量，用全桥整流，整流桥的耐压应为50V以上，正向电流大于等于8A，实际电路中采用10A/600V整流桥。
（2）滤波电容器选择：要求输出的最大电流为2A，最大电压为36V，所以输出最大功率约为72W，按照电路效率为80％计算。
可得整个电路输入的功率约为90W。
电路自身功率达18W，根据P=U2/R,可求得整流滤波电路的等效负载电阻R≈6欧姆，滤波电路的基波周期10mS，按一般要求，滤波电路的时间常数τ＝C×R＝30mS～50mS，所以，滤波电容C选用4700µF/50V 和1000µF/50V并联（考虑到有输入电流测试端口的存在）。
（3）开关管的选择：功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点。
栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对栅极等效电容（CEI）的充放电。
流经MOS 管的电流理论平均值：ID=TOFF•IO/T=IO •VO / Vi≈5A。
所以，MOSFET应选用平均电流大于10A、电压大于50V的管子，实际选用IRF540N，IF=28A、
VR=100V、PD=150W、RDS(ON)=0.077Ω。
（4）升压二极管的选择：二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为60us以下、反向耐压为45V以上的肖特基二极管。
它是一种低功耗、超高速半导体器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。
实际电路中选用SR560：IF=15A、VR=45V。
（5）主储能电感器L1的制作。
按公式：计算得电感量应大于等于 100μH 。
实际采用Ф38的高性能环形高频磁芯、用Ф 0.8的漆包线绕28圈。
三、 电路设计
从220V 市电开始变换，得到输出电压。
采用简单的boost 电路实现功能。
四、 测试方案与结果
1. 测试仪器滑动变阻器；万用表UT39A 、VC9807A+、VC9802A+ ；200MHZ 示波器 TDS 2022C ；直流稳压电源。
2. 测试方法
电压调整率的测试方法：在输出电流为2A 的条件下，调整使隔离变压器的输出在15V 到21V 之间取几个值然后测量相应的直流输出电压值，根据公式可求得电压调整率。
负载调整率的测试方法：在隔离变压器输出为18V 、输出直流电压36V ，分别测量负载电流为0和2A 所对应
R L
U 1=开关稳压电源
的输出电压值。
负载调整率就是输出电压的相对变化量与标准电压的比值。
DC-DC变换器效率的测试方法：在隔离变压器输出为18V, 直流输出电压为36V、输出电流为2A的条件下，测得输入电压Ui和输入电流Ii的直流平均值，效率η＝(Uo•Io/Ui•Ii)╳100％。
3.实际测试数据
（1）电压调整率的测试(IO=2A)
变压器输出电压（V）15 18 21
直流稳压电路输出电压（V）35.95 35. 97 36.02
电压调整率=0.19%
(2) 负载调整率的测试(U2=18V、Uo＝36V)
负载电流（A）2.02 0
输出电压（V）35.94 36.31
负载调整率=1.0 %
(3)DC-DC变换器效率的测量(U2=18V、IO=2A、UO=36V)
输入电压（V）19.80 输入电流（A）4.07
输出电压（V）35.95 输出电流（A） 2.01
效率89.7%
(4)纹波与噪声电压测试：U2=18V 、Uo=36V 、Io=2A ，
用示波器测量。
纹波峰－峰值UOPP≈0.2V(20ms/div) 。
(5)过流保护：当负载电流超过2.5A时，输出电压降到约0~5V(取决于负载阻抗大小)，排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。
参考文献：
（1）模拟电路基础
（2）开关电源设计。