二〇一六年一月十五日
前言直流變換技術已被廣泛的應用於開關電源及直流電動機驅動中，如不間斷電源（ups）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制，從而使上述控制獲得加速平穩、快速響應的效能，並同時收到節約電能的效果。由於變壓器的輸入是電網電壓經不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調壓的作用，同時還能起到有效地抑制網側諧波電流的作用。
直流斬波電路（dc chopper）的功能是將直流電變為另一種固定的或可調的直流電，也稱為直流-直流變換器（dc/dc converter），直流斬波電路（dc chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況。
直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，公升壓斬波電路，公升降壓斬波電路cuk斬波電路，sepic斬波電路，zeta斬波電路，前兩種是最基本電路,一方面，這兩種電路應用最為廣泛，另一方面，熟用這兩種電路可為理解其他斬波電路打下堅實基礎。公升壓直流電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 dc-dc 變換器 ,在直流傳動系統、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電裝置中得到普通的應用。
隨之出現了諸如降壓電路、公升降壓電路、復合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術已被廣泛用於開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。
公升壓斬波電路實際上採用的就是pwm技術。pmw控制方式是目前採用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨著電子技術的發展，近年來已發展各種整合控制晶元，這種晶元只需要外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數量、連線和焊點。
所以，此次課題設計選題為設計使用全控型器件為mosfet的公升壓斬波電路，主要討論公升壓斬波主電路、控制電路、驅動電路和保護電路的原理和設計。
目錄一、設計要求以及小組工作分配6
二、設計方案分析7
2.1全控型器件mosfet管的介紹………………………7
2.2、dc-dc公升壓斬波電路的工作原理…………9
2.3、斬波電路輸入輸出電壓的關係……………………10
2.4、dc-dc公升壓斬波電路穩壓原理……………………11
三、主要單元電路設計12
3.1、控制電路原理與設計………………………12
3.2、驅動電路原理與設計13
3.3、保護電路原理與設計15
3.4、pic16f887微控制器介紹16
四、總電路設計與除錯19
5、附錄23
6、總結26
七、致謝13
1、設計要求以及小組工作分配
1. 數字控制的dc-dc變換器
如下圖，設計乙個dc-dc變換電路:
要求與提示：
1、當輸入電壓ui 在10~15v變化時，輸出電壓uo=20v不變，uo穩態相對誤差不超過2%，即恆壓輸出；
2、輸出負載電流i2範圍0~1a;
3、試計算電源效率
4、主電路可以採用boost電路（公升壓電路），控制電路可以採用pic16f887
2.組員任務分配
1、查詢資料
2、電路設計
3、引數計算
4、pic程式設計學習
5、**學習
6、焊製電路板
二、設計方案分析
1.全控型器件mosfet管的介紹
1.1 簡單介紹
mosfet的原意是：mos（metal oxide semiconductor金屬氧化物半導體），fet（field effect transistor場效應電晶體），即以金屬層（m）的柵極隔著氧化層（o）利用電場的效應來控制半導體（s）的場效應電晶體。
功率場效應電晶體也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的mos型（metal oxide semiconductor fet），簡稱功率mosfet（power mosfet）。結型功率場效應電晶體一般稱作靜電感應電晶體（static induction transistor--sit）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩定性優於gtr，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用於功率不超過10kw的電力電子裝置。
功率mosfet的種類：按導電溝道可分為p溝道和n溝道。按柵極電壓幅值可分為：
耗盡型—當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道；增強型—對於n（p）溝道器件，柵極電壓大於（小於）零時才存在導電溝道，功率mosfet主要是n溝道增強型。
1.2 功率mosfet的結構
功率mosfet的內部結構和電氣符號如圖6所示；其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型電晶體。導電機理與小功率mos管相同，但結構上有較大區別，小功率mos管是橫向導電器件，功率mosfet大都採用垂直導電結構，又稱為vmosfet（vertical mosfet），大大提高了mosfet器件的耐壓和耐電流能力。
圖6 mosfet的結構與電氣圖形符號
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。p基區與n漂移區之間形成的pn結j1反偏，漏源極之間無電流流過。
導電：在柵源極間加正電壓ugs，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面p區中的空穴推開，而將p區中的少子-電子吸引到柵極下面的p區表面。
當ugs大於ut（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下p區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使p型半導體反型成n型而成為反型層，該反型層形成n溝道而使pn結j1消失，漏極和源極導電。
2.公升壓斬波電路原理
公升壓直流變流器用於需要提公升直流電壓的場合，其原理圖如圖1-2所示。
電路中v導通時，電流由e經公升壓電感l和v形成迴路，電感l儲能；當v關斷時，電感產生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側得到高於電源的電壓，二極體的作用是阻斷v導通是，電容的放電迴路。調節開關器件v的通斷週期，可以調整負載側輸出電流和電壓的大小。
假設l值、c值很大，v通時，e向l充電，充電電流恒為，同時c的電壓向負載供電，因c值很大，輸出電壓為恆值,記為。設v通的時間為，此階段l上積蓄的能量為e。
v斷時，e和l共同向c充電並向負載r供電。設v斷的時間為，則此期間電感l釋放能量為：
穩態時，乙個週期t中l積蓄能量與釋放能量相等
化簡得：
上式中，輸出電壓高於電源電壓，故稱公升壓斬波電路。
——公升壓比，調節其即可改變。將公升壓比的倒數記作β，即。和導通占空比，有如下關係：
因此，式（1-2）可表示為：
公升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高於電源電壓，關鍵有兩個原因:一是l儲能之後具有使電壓幫浦公升的作用，二是電容c可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為v處於通態期間因電容c的作用使得輸出電壓uo不變，但實際上c值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，u。
必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低於理論所得結果，不過，在電容c值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。
3.dc-dc公升壓斬波電路輸入、輸出電壓的關係
由直流斬波電路的原理可知
輸入電壓為輸入直流電壓範圍：10v~15v，要求輸出直流電壓：20v。
所以只要根據輸入的電壓控制全控閘流體mosfet關斷的時間和開通的時間比就可，即公升壓比就可得到所需電壓。由計算得：
4.dc-dc公升壓斬波電路穩壓原理
在如下圖所示的結構框圖中，控制電路用來產生mosfet降壓斬波電路的控制訊號，控制電路產生的控制訊號傳到驅動電路，驅動電路把控制訊號轉換為加在mosfet控制端與公共端之間，可以使其開通或關斷的訊號。通過控制mosfet的開通和關斷來控制mosfet降壓斬波電路工作。用微控制器輸出pwm方波（經過驅動電路放大後）控制mos管的開關，來調節輸出電壓。
將輸出電壓送回pic微控制器模數轉換模組，通過反饋調節pwm占空比調節電壓，使輸出穩定。控制電路中保護電路是用來保護電路，防止電路產生過電流、過電壓現象而損壞電路裝置。
3、主要電路設計
1、主電路設計，公升壓斬波主電路前面已經提到過，這裡直接給出電路圖
2、控制電路設計
控制電路需要實現的功能是產生pwm波訊號，用於控制斬波電路主要功率器件mosfet的通斷，通過對占空比的調節，達到控制輸出電壓的大小穩定。
3、驅動電路設計
該驅動部分是連線控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個功能：
(1)提供適當的正向和反向輸出電壓，使電力mosfe 管可靠的開通和關斷；
(2)提供足夠大的瞬態功率或瞬時電流，使mosfet能迅速建立柵控電場而導通；
(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；
(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離效能，使訊號電路與柵極驅動電路絕緣；
(5)具有靈敏的過流保護能力。
而電力mosfet 是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第乙個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小；第二個顯著特點是開關速度快、工作頻率高。但是電力mosfet電流容量小，耐壓低，多用於功率不超過10kw 的電力電子裝置。
在功率變換裝置中,根據主電路的結構，起功率開關器件一般採用直接驅動和隔離驅動兩種方式.美國ir公司生產的ir2110驅動器，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選。根據設計要求、驅動要求及電力mosfet 管開關特性,選擇如下電路來完成
4、保護電路設計
電力電子電路中，除了電力電子器件引數選擇合適，驅動電路設計良好外，採用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt也是必須的。
抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產過電壓的能量，用儲能元件吸收生產過電壓的能量。
對於非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用於抑制頻繁出現過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產過電壓的能量的保護。使用rc吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉化為電容器的電場能量儲存起來。
由於電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯電阻消耗部分產生過電壓的能量，並抑制lc迴路的震動。保護電路如圖所示。
模組MD24V小型系列DCDC變換器詳細規範
簽字頁標準起草人 標準化審查 批准 本規範是sj20668 1998 微電路模組總規範 的相關詳細規範。本規範起草單位 北京半導體器件五廠。本規範主要起草人 微電路模組 md24v小型系列dc dc變換器 詳細規範 1.1 主題內容 本規範規定了微電路模組md24v小型系列dc dc變換器 以下簡稱...
BUCK變換器的研究與設計
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