DCDC变换器设计总结
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DCDC变换器设计总结 湖北工业大学
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DC-DC变换器设计论文
院 系
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指导老师
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湖北工业大学
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二〇一六 年 一 月 十五 日
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（DC Chopper）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/DC Converter），湖北工业大学
3 直流斩波电路（DC Chopper）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
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目录
一、设计要求以及小组工作分湖北工业大学
5 配 …………………………6
二、设计方案分析………………………………………………7
2.1全控型器件MOSFET管的介绍………………………7
2.2、DC-DC升压斩波电路的工作原理…………9
2.3、斩波电路输入输出电压的关系 ……………………10
2.4、DC-DC升压斩波电路稳压原理……………………11
三、主要单元电路设计…………………………………………12
3.1、控制电路原理与设计………………………12
3.2、驱动电路原理与设计…………………………13
3.3、保护电路原理与设计…………………………15
3.4、PIC16f887单片机介绍…………………………16
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6 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
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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%10012IUIUPPioio
4、主电路可以采用boost电路（升压电路），控制电路可以采用 PIC16F887
2.组员任务分配
1、查询资料 DC-DC I1 I2
Ui Uo +
_ +
_ 湖北工业大学
8 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
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（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor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（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor--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，工湖北工业大学
9 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（Vertical
MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
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图6 MOSFET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。
2.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。
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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：
EtTEttoffoffoffontU0
上式中1tToff，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。 湖北工业大学
12 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：
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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
EtTEttoffoffoffontU0
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： 湖北工业大学
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4.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
