一種恒壓輸出的DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)

摘要 針對DC—DC升壓器存在效率低，紋波電壓較大，輸出電壓不穩(wěn)定等問題，文中開發(fā)和設(shè)計(jì)了一種具有恒定輸出電壓的DC—DC升壓轉(zhuǎn)換器的方法。通過升壓電路和電壓反饋技術(shù)，將波動(dòng)的輸入電壓變成恒定的直流電壓輸出。該設(shè)計(jì)通過將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與參考電壓相比較，兩者的差值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)控制升壓器的通斷時(shí)間，從而達(dá)到恒定電壓輸出。仿真結(jié)果顯示，該實(shí)驗(yàn)電路能在頻率為20 kHz的連續(xù)導(dǎo)通模式中工作，產(chǎn)生24 V的恒定輸出電壓，輸出功率為100W。

DC—DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中，DC—DC轉(zhuǎn)換方式有多種，諸如buck，boost，buck—boost，Cuk和全橋式。在這5種形式中，只有buck和boost是基本的轉(zhuǎn)換器類型。其余各種類型均由這兩種基本形式演變而來，各種類型都有優(yōu)缺點(diǎn)。

升壓轉(zhuǎn)換器用于可再生能源系統(tǒng)中，將未經(jīng)校準(zhǔn)的直流電壓逐步升高為更高的恒定輸出電壓，用于電池和負(fù)載。升壓電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)主要與其效率、輸出功率和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度相關(guān)?？稍偕茉慈缣柲?、風(fēng)能都利用升壓器作為能量傳輸?shù)拿浇椋瑢﹄姵睾拓?fù)載完成能量的吸收及注入過程，如圖1所示。

能量吸收和注入的過程通過電感、電子開關(guān)、二極管和輸出電容4種元件的組合來實(shí)現(xiàn)，升壓器的連接如圖2所示。能量吸收和注入的過程為一個(gè)開關(guān)周期。另外，平均輸出電壓由開關(guān)的通斷時(shí)間決定。在固定的開關(guān)頻率下，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間的方法稱為脈沖寬度調(diào)制。占空比k被定義為導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比。能量吸收和注入時(shí)，不同的開關(guān)周期使升壓器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式或非連續(xù)導(dǎo)通模式。

1 升壓器電路分析

1.1 連續(xù)導(dǎo)通模式

在連續(xù)導(dǎo)通模式中，又細(xì)分為兩種模式。模式1開始于t=ton將開關(guān)SW閉合時(shí)，如圖3所示。上升的輸入電流流入電感L和開關(guān)SW。在這種模式中，能量被儲(chǔ)存在電感中。模式2開始于t=toff時(shí)，開關(guān)斷開。通過開關(guān)的電流將流向電感L，二極管D，輸出電感C和負(fù)載R，如圖4所示。電感電流直到下個(gè)周期開關(guān)導(dǎo)通才開始下降。儲(chǔ)存在電感中的能量傳遞給負(fù)載。因此輸出電壓比輸入電壓大很多，可表示為

其中，Vout是輸出電壓，k為占空比，Vin為輸入電壓。

為使轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，如圖5所示，電感電流IL不為零，可計(jì)算電感L

式中，Lmin是最小電感值;k是占空比;R是輸出電阻;f是SW的開關(guān)頻率。

若要得到合適的輸出紋波電壓，輸出電感為

1.2 非連續(xù)導(dǎo)通周期

在這種模式下，電感電流IL不連續(xù)。在開關(guān)SW再次導(dǎo)通前有一段時(shí)間電流為0。如圖6所示。電感電壓在這段時(shí)間內(nèi)的積分值為0。

式中，T是開關(guān)周期;△1是負(fù)電感電壓的持續(xù)時(shí)間。

之前計(jì)算的Lmin是工作在連續(xù)導(dǎo)通模式的最小電感值，因此Lmin低于最小值會(huì)使升壓器工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式。在非連續(xù)導(dǎo)通模式下的峰-峰值紋波輸出電壓，如式(3)所示。

2 DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

本文所述的升壓器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，為使波動(dòng)的輸入電壓逐步提升為更高的24 V的恒定輸出電壓。由于寄生效應(yīng)的存在，占空比在0～0.75之間。詳細(xì)規(guī)格如表1所示。

為得到恒定的輸出電壓，采用電壓反饋控制系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)中，測量得到的輸出電壓與參考電壓相比較，差值用來生成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。輸出電壓的任何變動(dòng)都會(huì)引起PWM信號(hào)的占空比的變化。為生成一系列PWM信號(hào)，使用了PIC16F877微控制器產(chǎn)生的20 kHz PWM信號(hào)，電壓反饋控制的控制流程如圖7所示。

2.1 電子開關(guān)的選擇

開關(guān)SW的選擇依據(jù)電壓與電流額定值，其值應(yīng)高于最大輸入電壓值和電流值。本設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換器的額定功率為100 W，輸入電壓范圍時(shí)6～23 V。因此，電子開關(guān)如功率MOSF ET，IGBT，BJT和晶閘管處理能力應(yīng)滿足所提出設(shè)計(jì)的規(guī)范。

2.2 電感的選擇

式(2)是升壓器工作在連續(xù)時(shí)間模式的最小電感值，因此選擇的電感值應(yīng)高于計(jì)算值。推薦使用鐵氧體磁芯或等同的的電感器。

2.3 二極管的選擇

二極管反向電壓額定值是選擇時(shí)首要考慮的目標(biāo)。其他需要考慮的因素諸如，防止二極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)的能力和具有足夠大的峰值及合適的平均電流，快速開關(guān)特性，低反向恢復(fù)電流，低正向電壓降等。[!--empirenews.page--]

2.4 電容的選擇

式(3)是計(jì)算的紋波電壓的最小電容值，選取電容的大小應(yīng)高于計(jì)算值。另一個(gè)重要考慮因素是等效電阻ESR。因?yàn)殡娙莸腅SR影響效率，低ESR電容可得到更好的性能?？赏ㄟ^并聯(lián)電阻減小ESR?；谇懊娴挠?jì)算過程及注意事項(xiàng)，列出了本設(shè)計(jì)所采用的器件，如表2所示。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)本設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì)要求，使用軟件對升壓器的性能進(jìn)行仿真。不同輸入電壓和占空比條件下的升壓器的性能如圖8和圖9所示。

仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的升壓器能夠產(chǎn)生一個(gè)恒定的直流輸出電壓。瞬態(tài)應(yīng)持續(xù)若干毫秒后才變穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)可以通過使用阻尼電路如緩沖電路來抑制，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的升壓器的性能進(jìn)行了測試，電源與Vin相連，負(fù)載電阻與Vout相連，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。[!--empirenews.page--]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)電路能產(chǎn)生占空比為0.4的24 V恒壓輸出。表3為升壓器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

升壓器的效率可通過輸出功率與輸入功率的比值計(jì)算得到。減少升壓器的總損耗可增加效率。損耗包括開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損失、電感的渦流和磁滯損耗、ESR和電磁干擾。軟開關(guān)如零電壓和零電流開關(guān)能夠降低升壓器的損耗。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的升壓器能從變化的輸入電壓中產(chǎn)生恒定的24 V的輸出電壓。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分析了元件參數(shù)選擇注意事項(xiàng)，并給出了定量計(jì)算的方法，在設(shè)計(jì)中選取了功耗和成本均較低的PIC16F877微控制器作為電壓反饋控制技術(shù)，整體設(shè)計(jì)具有良好的性能，可廣泛用于太陽能、光伏發(fā)電等相關(guān)領(lǐng)域。