基于boost变换器的自供电超级电容器储能电路设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于boost变换器的自供电超级电容器储能电路设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

移时间会延长 ，紧接着 造成了电荷的 累积不能瞬时完成，换句话说就是电容两端的电压初始值为零。 河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 7 (a) (b) (c) (d) 图 22 电荷泵工作的基本原理 电荷泵的基本电路有两种即倍压型和反压型， 图 23(a)描述了倍压型电路的工作原理。 在倍压型电路中电压的变化是通过两个阶段实现的，在第一个阶段中 S1和 S2处于关闭状态，而 S3和 S4打开 ，可以看出电容处于充电状态，充电到一定值，此值就是输入的电压。 INccc UUUU   111 () S1和 S2在第二 个阶段中处于打开状态，而 S3和 S4闭合，而此时的输出电压变为了输入电压的 2倍，这是因为电容两端的电压不能立刻突变造成的。 因此此时的输出电压为： INcINout UUUU 21  () 因此由公式 ()可知输出的电压变为了输入电压的两倍，实现了倍压的效果。 图 23(b)是对图 23(a)的进一步说明，图 23(b)从电压和电流的波形进行了进一步的阐明。 由图 23(a)可知在倍压电路的第一个阶段中，电路会给电容 C1充电， C1充电电流的初始值是由 C1两端电压的初始值、开关电阻等决定的。 当 C1充完电后，流过 C1的电流会减小，而在这段时间中，电容 HOLDC 通过放电向负载提供电流。 在第二河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 8 个阶段中 ，放电电流会通过电容 C1流过负载，此时输出的电容电流变化约 为 OUTI 的二倍， HOLDC 会线性的充电。 当 C1在输入和地之间时， HOLDC 会放电。 图 (a)电荷泵电路 图 (b)相关波形 图 23 倍压电荷泵电路及其工作波形 图 24描述了电荷泵电压反转变换器的基本工作原理，由图可以看出它是由开关、反相器、电容和振荡器组成的。 图 24 电荷泵电压反转变换器的基本工作原理 开关 S1和 S2是由由 振荡器输出的脉冲直接控制的，振荡器输出的脉冲经过反相器后来控制模拟开关 S3和 S4。 当模拟开关 S1和 S2处于闭合状态，而 S3和 S4打开 时， C1会被充电，而且 C1上的电压为 V+。 相反当 S1和 S2打开， S3和 S4闭合时，电容 C1将会放电，放出的电会流向 C2，即 C2会被充电，但是 C2上的电压是负的 V1，此时的 1VVOUT 。 当四个开关 S S S3和 S4在振荡器的控制下 以较高的频率开断和闭合时，输出的电压为负值。 从图 24中可以看出 电荷泵电压反转器电路不具有稳压的功能，也就是说当 负载河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 9 上有电流通过时，输出的电压也会有变化。 此电路的输出电流和输出电压的变化特点是输出的电流越大，输出的电压也越大。 通常 Ro表示输出电阻 ，而且 Ro是用来描述输出电压与输出电流关系的， Ro可以用以下公式来描述： IoVRo  () 其中 △ V表示输出电压的变化，从公式 (3)可以知道当输出电阻 Ro越小时，表示输出电压变化的小而且输出特性好。 通过 对电荷泵两种电路的分析，可以看出电荷泵电路的优点，但是电荷泵电路也具 有 以下 缺点 ： （ 1）它的输入与输出的电压比是有限的。 （ 2）因为它的输入电流峰值很大，所以有噪声。 （ 3）它的输出电压的不稳定要求必须使有电压负反馈来控制从而获得稳定的电压。 （ 4） 输出的电压与负载有密切联系，而且输出的驱动能力也是有限的。 电荷泵电路的 应用 意义和价值 在现代人类的日常生活中 ，人们越来越追求便捷化，因此便携式的产品受到人们的亲睐，这种发展趋势对电源又有了新的要求。 为了迎合这种变化，很多公司对电源管理提出了很 多的改进方案，而且这些解决方案各具特色。 解决方案在一些问题上进行了反复的权衡，例如在效率上、在成本上和尺寸上。 但是尺寸小也带来了问题比如尺寸小的产品的散热能力比尺寸大的产品差，同时这些便于携带的产品一般都具有无线电电路和射频接收器，因此对噪声很敏感。 因此研究人士发明了一种切实可行的电路即电荷泵电路，电荷泵电路具有低噪声、低成本和高效率的优点。 因为这种电路在 没有电感时也可以实现一定的升压，所以克服了由电感带来的电磁干扰问题，而且这种设计比较的简单，成本也低。 但是 电荷泵电路却在一些场合受到了制约，例如在多档升 压电路使用电荷泵时会使效率 大大降低了， 同时因为损耗产生的发热量也加大了。 电荷泵电路虽然有以上不足之处，但是在很多场合它依然是人们应用的首选。 并且当前世界很多国家进一步展开了对电荷泵电路的研究，力求减小电荷泵的噪声、降低功率损耗、增加输出功率。 河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 10 Boost变换器的基本理论 Boost变换器也叫作升压变换器，升压变化器的作用是将输出的电压升高，即输出的电压数值总比输入的电压数值大。 由图 25Boost变换器的电路结构可以知道此电路是由电容、电感、 电阻、 二极管器件和电力电子开关组成的。 图 25 Boost变换器 Boost变换器的工作原理如图 26所示，当 VT处于接通状态时，流过电感中的电流会慢慢增大，因此此时的电感会储存能量，同时流过电阻 R中的电流是由电容 C供给的。 在图 26(a)中 在导通时间结束以后， VT会处于断开状态，而此时的电感会释放能量，并且它会与输入的电压共同作用来使 VD导通，同时电阻 R中有电流流过，进而对电容充电。 而在图 26(b)中当 VT的关断时间结束后， VT就会处于导通状态，进而重复以上过程。 (a) VT导通 (b)VT关断 图 26 Boost变换器的工作过程 下面对 Boost变换电路在电感电流连续工作方式下进行介绍，在一个周期内将电路分为开关导通和关断两种状态，即 t0～ t1时为开关导通状态， t1～ t2时为开关断开状态。 在 t0～ t1时间段内，如图 26(a)所示， t=t0时， VT导通，一直到 t1这个过程中 VT一直是导通状态，但是二极管 VD却因为反向电压而被截止，此时的电容为电阻 R提供河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 11 电能。 在这个阶段中因为输入电压加在了 L上，所以电感电流会线性增加。 当 t=t1时， ontttt  011 ， Li 从 minLI 最小值增加到 maxLI 最大值 ， Li 的增加量可以表示为： TLUtLUi ioniL   () 在 t1～ t2时段内，如图 26(b)所示，在 t=t1时， VT关断， VD导通，在这一过程中L释放上一阶段所储存的能量。 流过电感的电流 Li 减小，同时 Li 经过 VD流向输出端。 与此同时电源也向负载供电，电容 C被充电。 当 t=t2时， offtttt  122 ，此时的 Li 从 maxLI 最大值减小到 minLI 最小值， Li 的减小量表示为：  TL UUtL UUi ioof fioL   1 () 在 t2时， VT又一次导通，电路进行下一个开关周期。 在图 27中 Li 表示电路中输入的电流， iI 表示电流的平均值， iI 表示为iI = LI =  2/m inm ax LL II  ，由图可 以看出 VT和 VD是轮流工作的。 当 VT工作时电流 Li 流过VT；当 VD工作时，电流 Li 流过 VD。 所以 Li 的波形是由 VT和 VD的波形所合成的。 因为在一个周期中电容存在两个过程，即充电和放电过程，所以电容 C的电流平均值为 0。 输出电流的平均值 oI 也是流过 VD的电流平均值 VDI。 通过分析得出， Boost变换电路的 输入电压 iU 与输出电压 oU 的关系 可以表示为： io UU  1 1 () 在式子 ， 10  ，而且当δ无限趋于 1时， oU 会趋于无穷大。 这种情况下会将电路损坏，所以我们必须避免这种情况的发生。 电路中 iI 与 oI 的关系表示为：   io II  1 () 用 oU 表示 输出电压的脉动，可以表示为： 河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 12 oonoo ICfTICCQU  1 () 由式子 ，可以采取增大电容 C和增加 f的方法来减小输出电压的纹波。 图 27 Boost变换器电流连续下的波形 Boost变换电路在电流临界连续时的波 形如下图 28所示，从图中可以知道此时流过二极管 VD的电流平均值可表示为：    L TUiI oLVD 21121   () 所以我们可以得知当电感电流连续时必须满足 VDo II  ，此式也是电感电流 连 临界条件。 由 RUI oo 并且联系 ()式可以进一步的得出下式 :  L TURU oo 21 2  () 整理式子 ()得 ： 河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 13  21 2 RTL () 所以可以用公式 ()来判断电感电流是否连续的临界条件。 图 28 Boost电路电流临界连续时的波形 河北工业大学城市学院 20xx 届本科毕业设计说明书 14 3 超级储能系统的 设计 电路 仿真 前馈控制的 Boost变换器仿真电路 大型能量捕获技术例如风能、太阳能是众所周知的，而小规模能量收集技术例如振动能、电磁能等也被提出并发展。 一般来说，小型能源收获产品商业化的问题是它的成本、便于使用和污染。 此论文在一定程度上可以解决 此问题。 大部分的能量采集器所产生的能量是不稳定的，也就是所产生能量的幅值和持续的时间很大程度上受环境条件的影响。 因此超级储能电容器因为无污染易于充放电在采集器中被用作储能单元。 根据能量的储存形式，能量储存系统可以分为电磁存储、机械存储、化学存储、生物存储和热能存储。 在电磁储存系统中因为它具有 功率密度大、循环寿命长、充放电效率高，无污染的特点，因此超级电容器是个新兴和有前途的能量储存器件。 超级电容器还广泛应用在很多场合，例如在数码相机、电话等消费电子产品中与电池结合使用。 尤其是最近环境问题日益严重，超级电容器 无污染、低维修的特点受到广泛关注。 独立的超级电容器自储能充电电路包括一个自启动、自供电电路和一个前馈控制的 boost 变换器。 本论文中设计的自启动电路是一个无源网络，当系统不使用时它可以使自供电电路关断。 Boost 变换器包含一个主要的能量存储器件，自启动自供电电路包含二级能。