【正文】 2 165x60x57 DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展概況 DC/DC變換器是一種將直流電壓變?yōu)橹绷麟妷旱淖儞Q器，只是轉(zhuǎn)換的直流電壓是恒定的或是可以調(diào)節(jié)的。尤其是近些年來，隨著人們生活和工作的需要，出現(xiàn)的許多的電子設(shè)備需要電池供電。 由于電力電子技術(shù)的發(fā)展促使著 DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展，晶體管的發(fā)展更加促進了 DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展，例如功率場效應(yīng)晶體管和絕緣門極雙極型晶體管的出現(xiàn)使DC/DC變換技術(shù)更加純熟。 20世紀八十年代末，為了縮小 DC/DC變換器的體積，研究人員提高了開關(guān)器件的工作頻率，但這也使其轉(zhuǎn)換效率隨之降低、增大了電磁干擾、增加了發(fā)熱。工作頻率和功率密度雖然增加了，但是它的轉(zhuǎn)換效率卻降到了低于百分之九十。而在 20世紀 90年代中期開始，全橋移相 ZVS軟開關(guān)技術(shù)大部分應(yīng)用在中 、大功率場合。但是這種技術(shù)也存在著不足例如損失了占空比、成本高等。 本課題研究的意義和內(nèi)容 隨著社會的發(fā)展，人類的進步，尤其進入 21 世紀，環(huán)境污染日益嚴重，環(huán)境問題和能 源問題越來越成為各國關(guān)注的焦點。目前在世界范圍內(nèi)經(jīng)常使用的儲能器件有蓄電池、超導(dǎo)磁體、 飛輪和超級電容器等。超級電容器作為 現(xiàn)代 一種新型儲能元件，具有 很多獨特的優(yōu)點例 如功率密度大、充放電效率高，而且無污染，環(huán)境友好。 超級電容器的使用壽命長、 對環(huán)境無污染 等獨特 的 特點 使超級電容器儲能技術(shù) 領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于性 能的穩(wěn)定、價格的低廉、易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并且超級電容器制備材料和制造工藝的不斷進步， 眾多 企業(yè) 對超級電容器 的 研究 ，這 些都 促 使 了超級電容器在 很多行業(yè) 的 大量 應(yīng)用。 本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾點： （ 1） 本文通過 對分析構(gòu)建一個宏觀的思路，并且 對 Boost變換器電路 、電荷泵電路等 原理的分析和研究，利用 其原理及模型搭建儲能電路的 模型； （ 2） 利用 LTSPICE 等 軟件對電路進行仿真， 通過仿真電路 得到電壓 、電流 的波形、不同 負載情況下電壓、 電流、 功率、效率的變化曲線 。 河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 5 2 超級儲能系統(tǒng)的基本理論 2． 1 概述 本論文是在基于 Boost 變換器的基礎(chǔ)上對自供電超級電容器的電路設(shè)計，本論文的設(shè)計總體思路如圖 21 所示。而在本課題中主要研究的是后兩個部分，重點研究的是 DC/DC，在這里 DC/DC 采用的是 Boost 變換電路。近些年來由于微能源具有很多優(yōu)點例如體積小、質(zhì)量輕，所以成為當代科學技術(shù)發(fā)展的迫切需要。電磁式、靜電式和壓電式發(fā)電機 是 微型振動發(fā)電機 常見的三種類型 。由發(fā)電機結(jié)構(gòu)我們知道，在固定磁體產(chǎn)生的磁場中，由于通過附在振動 質(zhì)量塊下面的線圈中的磁通量會發(fā)生變化，由法拉第感應(yīng)定律的知識我們可知，它一 定會產(chǎn)生電勢差?，F(xiàn)實中增大電壓的方法常采用的是增大電磁場和增加線圈的 圈數(shù)。 在 20 世紀末隨著 關(guān)于電磁式振動發(fā)電機 第一篇的 發(fā)表，各國 便紛紛投入 對電磁式振動發(fā)動機的研究。 微型振動發(fā)電機 DC/DC AC/DC 超級電容器或負載 河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 靜電式振動發(fā)電機的優(yōu)點是它可以和 IC 工藝兼容，并且它可以產(chǎn)生實際所需要的更大的輸出功率。通常靜電式振動發(fā)電機應(yīng)用在 非常小的系統(tǒng)。 . MurMiranda等人在 20xx年設(shè)計出了一種 非常獨特的 靜電式微型振動發(fā)電機， 此發(fā)電機 的優(yōu)點是 在共振 頻率下產(chǎn)生的電量 在 ? W 級別 ，轉(zhuǎn)換效率 也很高 。這種發(fā)電機有很多的特點例如不需要外加電源，結(jié)構(gòu)緊湊，與 NEMS 兼容等。 微型振動發(fā)電機所擁有的這些特點使各國越來越重視對這一領(lǐng)域的研究。未來電源電路的設(shè)計需要具有安全性能好、重量輕、用電少等特點，而電荷泵電路也因為具有這些 優(yōu)點在中低功率電池電路中受到 人們的好評。 通常將電荷泵稱為開關(guān)電容電壓變換器，電容電壓變換器顧名思義就是它是通過電容來 存儲同時傳遞能量 。在實際生活中我們通常會用電容來存儲電能或者電荷，并且電容會按一定的時間和速度發(fā)電。 但是這會造成一些負面影響，比如 在這一過 程中電荷的轉(zhuǎn)移時間會延長 ，緊接著 造成了電荷的 累積不能瞬時完成，換句話說就是電容兩端的電壓初始值為零。在倍壓型電路中電壓的變化是通過兩個階段實現(xiàn)的，在第一個階段中 S1和 S2處于關(guān)閉狀態(tài)，而 S3和 S4打開 ，可以看出電容處于充電狀態(tài)，充電到一定值，此值就是輸入的電壓。因此此時的輸出電壓為： INcINout UUUU 21 ??? () 因此由公式 ()可知輸出的電壓變?yōu)榱溯斎腚妷旱膬杀?，實現(xiàn)了倍壓的效果。由圖 23(a)可知在倍壓電路的第一個階段中，電路會給電容 C1充電， C1充電電流的初始值是由 C1兩端電壓的初始值、開關(guān)電阻等決定的。在第二河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 個階段中 ，放電電流會通過電容 C1流過負載，此時輸出的電容電流變化約 為 OUTI 的二倍， HOLDC 會線性的充電。 圖 (a)電荷泵電路 圖 (b)相關(guān)波形 圖 23 倍壓電荷泵電路及其工作波形 圖 24描述了電荷泵電壓反轉(zhuǎn)變換器的基本工作原理，由圖可以看出它是由開關(guān)、反相器、電容和振蕩器組成的。當模擬開關(guān) S1和 S2處于閉合狀態(tài)，而 S3和 S4打開 時， C1會被充電，而且 C1上的電壓為 V+。當四個開關(guān) S S S3和 S4在振蕩器的控制下 以較高的頻率開斷和閉合時，輸出的電壓為負值。此電路的輸出電流和輸出電壓的變化特點是輸出的電流越大，輸出的電壓也越大。 通過 對電荷泵兩種電路的分析，可以看出電荷泵電路的優(yōu)點，但是電荷泵電路也具 有 以下 缺點 ： （ 1）它的輸入與輸出的電壓比是有限的。 （ 3）它的輸出電壓的不穩(wěn)定要求必須使有電壓負反饋來控制從而獲得穩(wěn)定的電壓。 電荷泵電路的 應(yīng)用 意義和價值 在現(xiàn)代人類的日常生活中 ，人們越來越追求便捷化，因此便攜式的產(chǎn)品受到人們的親睞，這種發(fā)展趨勢對電源又有了新的要求。解決方案在一些問題上進行了反復(fù)的權(quán)衡，例如在效率上、在成本上和尺寸上。 因此研究人士發(fā)明了一種切實可行的電路即電荷泵電路，電荷泵電路具有低噪聲、低成本和高效率的優(yōu)點。但是 電荷泵電路卻在一些場合受到了制約，例如在多檔升 壓電路使用電荷泵時會使效率 大大降低了， 同時因為損耗產(chǎn)生的發(fā)熱量也加大了。并且當前世界很多國家進一步展開了對電荷泵電路的研究，力求減小電荷泵的噪聲、降低功率損耗、增加輸出功率。由圖 25Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)可以知道此電路是由電容、電感、 電阻、 二極管器件和電力電子開關(guān)組成的。在圖 26(a)中 在導(dǎo)通時間結(jié)束以后， VT會處于斷開狀態(tài)，而此時的電感會釋放能量，并且它會與輸入的電壓共同作用來使 VD導(dǎo)通，同時電阻 R中有電流流過，進而對電容充電。 (a) VT導(dǎo)通 (b)VT關(guān)斷 圖 26 Boost變換器的工作過程 下面對 Boost變換電路在電感電流連續(xù)工作方式下進行介紹，在一個周期內(nèi)將電路分為開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，即 t0～ t1時為開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)， t1～ t2時為開關(guān)斷開狀態(tài)。 在這個階段中因為輸入電壓加在了 L上，所以電感電流會線性增加。 流過電感的電流 Li 減小，同時 Li 經(jīng)過 VD流向輸出端。 當 t=t2時， offtttt ???? 122 ，此時的 Li 從 maxLI 最大值減小到 minLI 最小值， Li 的減小量表示為： ? ?TL UUtL UUi ioof fioL ??????? ? 1 () 在 t2時， VT又一次導(dǎo)通，電路進行下一個開關(guān)周期。當 VT工作時電流 Li 流過VT；當 VD工作時，電流 Li 流過 VD。因為在一個周期中電容存在兩個過程，即充電和放電過程，所以電容 C的電流平均值為 0。 通過分析得出， Boost變換電路的 輸入電壓 iU 與輸出電壓 oU 的關(guān)系 可以表示為： io UU ??? 1 1 () 在式子 ， 10 ??? ，而且當δ無限趨于 1時， oU 會趨于無窮大。 電路中 iI 與 oI 的關(guān)系表示為： ? ? io II ??? 1 () 用 oU? 表示 輸出電壓的脈動，可以表示為： 河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 oonoo ICfTICCQU ?????? 1 () 由式子 ，可以采取增大電容 C和增加 f的方法來減小輸出電壓的紋波。由 RUI oo ?并且聯(lián)系 ()式可以進一步的得出下式 : ? ?L TURU oo 21 2?? ?? () 整理式子 ()得 ： 河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 ? ?21 2?? ??RTL () 所以可以用公式 ()來判斷電感電流是否連續(xù)的臨界條件。一般來說，小型能源收獲產(chǎn)品商業(yè)化的問題是它的成本、便于使用和污染。大部分的能量采集器所產(chǎn)生的能量是不穩(wěn)定的，也就是所產(chǎn)生能量的幅值和持續(xù)的時間很大程度上受環(huán)境條件的影響。根據(jù)能量的儲存形式，能量儲存系統(tǒng)可以分為電磁存儲、機械存儲、化學存儲、生物存儲和熱能存儲。超級電容器還廣泛應(yīng)用在很多場合，例如在數(shù)碼相機、電話等消費電子產(chǎn)品中與電池結(jié)合使用。 獨立的超級電容器自儲能充電電路包括一個自啟動、自供電電路和一個前饋控制的 boost 變換器。 Boost 變換器包含一個主要的能量存儲器件，自啟動自供電電路包含二級能量存儲器件，主要的能量存儲器件用來存儲由充電器傳遞的能量，二級能量存儲器存儲的能量用來驅(qū)動局部電子器件。比較器 U1 的輸出電壓是個方波，這個方波為 M1 提供柵極觸發(fā)信號。 在整個充電過程中穩(wěn)態(tài)電壓是施加到電容器上的最大可能電壓。 Vs 是 V1 所產(chǎn)生的鋸齒波的最大值， ? ?TRLK ?? 32 ，流過超級電容器 C1 的最大脈動電流 為 ： ? ? 1 211 R RRDDVsLTT o nLV inIp ????????? （ ） 因此最大的脈沖電流發(fā)生在 D=，最大脈沖電流 為： 1 a x R RRVsLTIp ????? （ ） 通過以上公式得，對于給定的 R1 和 R2，最大的輸出電壓是在 ?D ，同 時最大的脈沖電流是在 D=。 由圖 31Boost的仿真電路 中 仿真出來的波形如圖 32所示，圖中紅色代表輸出的電壓，綠色為輸入的電壓，藍色為驅(qū)動 M1的脈沖。 在仿真結(jié)果中如果改變 R1和 R2的數(shù)值， M1的驅(qū)動脈沖的占空比會發(fā)生變化，而且輸出的電壓也會變化。 河北工業(yè)大學城市學院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 圖 32 Boost變換器的仿真波形 圖 33 R2=20K時 Vo1的波形 圖 34 R2=46K時 Vo1的波形 由以上兩個圖可知在 R2=20K時電壓的上升趨勢比 R2=46K的上升趨勢緩