超级电容器充电升压电路毕业论文详解.docx
《超级电容器充电升压电路毕业论文详解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超级电容器充电升压电路毕业论文详解.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
超级电容器充电升压电路毕业论文详解
普通全日制本科毕业论文（设计）
论文题目：
超级电容器充电升压电路的设计
普通全日制本科毕业论文（设计）任务书
课题名称超级电容器充电升压电路的
设计
学院信息科学与工程学院
指导教师（签名）__________2013年11月30日
教研室主任（签名）_________2013年11月30日
2013年11月30日
普通全日制本科毕业论文（设计）任务书
课题名称
超级电容器充电升压电路设计
指导教师姓名
文春明
工作单位
广西民族大学
一、主要内容：
查阅相关资料，了解超级电容器的原理及充放电特性；掌握升压电路设计的方法；设计电路。
二、基本要求（基本技术要求与数据）
1.掌握升压电路设计的方法；
2.设计升压电路；
3.对升压电路进行仿真；
三、论文（设计）工作起始日期：
自2013年9月23日起，至2014年5月10日
四、进度与应完成的工作：
2013.09.23-2013.11.30:
指导教师下达毕业设计（论文）任务书，学生接受任务、收集、查阅相关文献资料。
2013.12.01-2014.03.15:
学生撰写论文提纲；系统设计、调试、实验；撰写论文（设计说明书）。
2014.03.16-2014.03.19:
论文修改、定稿。
2014.04.22-2014.05.10:
论文答辩准备及答辩。
五、主要参考文献、资料
【1】B．E．康维著，陈艾等译.电化学超级电容器：
科学原理及技术应用【M】.北京：
化学工业出版社，北京，2005.8.
【2】洪乃刚.电力电子技术基础【M】.北京：
清华大学出版社，2008.1.
【3】邢壮.MC34063DC/DC转换控制电路测试方法概述【J】.电子与封装，2013，,1（5）：
9-11.
题目：
超级电容器充电升压电路的设计
摘要
超级电容是一种有着优良的脉冲放电性能和大容量储能性能的新型储能元件，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，它可提供超大功率并具有超长寿命，近年来受到科学研究人员的广泛重视，在储能领域应用日趋广泛。
在一些电源电压较低的场合，如微型发电机等，需要升压，才能给超级电容充电。
因此，研究升压电路具有一定的现实意义。
在比较分析几种直流电源的升压结构进行后，选用了改进过的结构比较简单的晶体二极管倍压整流升压电路的结构。
本设计采用三极管关断特性调节输出电压来控制此电路中电容的充放电，以获得稳定输出电压。
用仿真软件对本升压电路进行仿真，验证了电路设计。
本设计具有电路简单，元器件较少等特点。
关键词：
超级电容晶体二极管三极管倍压整流电路
Title:
Thedesignandimplementationofsupercapacitorchargingboostercircuit
Abstract
Supercapacitorhasexcellentpulsedischargeisakindofperformanceandlargecapacitystorageperformanceofthenewenergystoragecomponents,isanewtypehavebothcapacitanceandthecharacteristicsofthebatterycomponents,itcanprovidesuperpowerandhaslonglife,scientificresearchpersonnel'sextensiveattentioninrecentyears,increasinglywidelyusedinthefieldofenergystorage.Insomelowpowersupplyvoltage,suchassmallgenerators,needbooster,cangivethesupercapacitorcharging.Asaresult,thesupercapacitorisaverygooddevelopmentprospectinthefieldofenergystorage.
Inthecomparativeanalysisofseveralkindsofboosterstructureofthedcpowersupply，choosethestructureofthemodifiedsimplecrystaldiodevoltagedoublingrectifyingboostercircuitstructure.Forthecontrolcircuitofcapacitance,chargeanddischargetime,thisdesignUSESthetriodeshutofffeaturetoadjustoutputvoltagetocontrolthecharginganddischargingofcapacitanceinthiscircuit,inordertoobtainastableoutputvoltage.Withthisboostercircuitsimulationsoftware,simulationresultsverifythecircuitdesign.Thisdesignhassimplecircuit,fewercomponents,etc.
Keywords：
SupercapacitorCrystaldiodeTriodeVoltagedoublingrectifyingcircuit
1前言
1.1课题背景及研究意义
随着社会经济的发展，人们越来越关注绿色能源和生态环境，超级电容器作为一种新型的储能器件，因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。
超级电容器正广泛应用于人们的生产生活。
超级电容器按储能机理来分，超级电容器分为双层电容器和赝电容器。
超级电容作为一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
太阳能、风能等这些自然能源具有绿色环保特性，因其往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。
所以需要一种缓冲器来储存能量，即是在电能输出较大时将过剩的能量存储在储能装置中；同时，在电能输出不足时，又可以在短时间内通过储能装置供给所需的峰值能量，起到一定的过度作用。
超级电容器在新能源领域里，如发电机领域，由于自身电阻小、充电快、储能大、寿命长和可靠性强等优势。
目前，使它在电力系统、风力发电、太阳能产品、海上风机税控机等领域得到广泛应用。
在某些输出电压较低的场合，如微型发电机等，要为超级电容器充电需要将电压升高后才能有效利用超级电容器的优良储能特性。
因此对超级电容器升压电路进行研究具有十分重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
超级电容器产品因其特殊的优点，已在很多领域中得到广泛的应用，比如在通讯、铁路、电子、航天以及军事等领域，超级电容器在这些领域中起的作用越来越大，它的前景是非常广阔的。
我国对超级电容器的研究已有30多年的历史，对用活性炭作为材料的超级电容器也有了一定的研究，且有了一些小型商品。
大庆华隆电子有限公司是国内较早批量生产超级电容器产品的公司，其产品有3.5v、5.5v、11v等系列。
但在国内，能够批量生产，且达到实用化水平的厂家较少。
各高校也有了许多研究超级电容器的成果，如东北师范大学研究开发了聚并苯超级电容器，改善了超级电容器的电性能和结构。
但就整体而言，我国在超级电容器研究领域仍落后于世界水平，有较大的差距。
超级电容器作为发展前景很广的新能源储能装置，在国外已有非常多的机构和部门在从事这方面的研究，甚至还有的公司实现了商业化。
目前，处在领先地位的国家有日本、美国和俄罗斯，几乎占据了超级电容器的整个市场。
特别是日本，其本国生产加上海外生产，市场占有率接近90%。
日本的Panasonic公司对小型超级电容器的研究是处于领先地位的，其3v1500F的超级电容器经过了IdahoNationalEngineeringLaboratory的检测，可以从3v放电到1.5v。
美国的国防部和能源部很早就重视对超级电容器的研究和开发。
美国的战略防御计划仅在1992～1995年就资助200万美元由Maxwell公司进行军事系统弹道高脉冲功率电源超大电容器的研制。
美国在2002年就曾报道说已制成270v，534F的电容存储系统，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放率等的调整，使电脉冲推进器、电弧喷气式伺服器等装置能在脉冲条件下达到任何平均功率水平的功率状态。
在伊拉克战争中，美国军方就用过一种叫“微波炸弹”的新式武器。
该武器上就装有超级电容器来发出超强电磁脉冲，使打击威力更强。
俄罗斯ECOND公司对超级电容器的研究已有20多年的历史,其水平代表了俄罗斯最先进的水平。
它的主要产品为大功率超级电容器，适用于动力电源，而且具有价格优势。
早在1996年俄罗斯Ellran公司就研制出了以纯电容器作电源的电动汽车样品，串联了300个超级电容，能搭乘20多个人，充电一次可行驶12km。
目前研究主要集中于提升超级电容器的容量和降低成本方面，对于超级电容器升压研究很少。
1.3本文主要工作
本文通过对低电压条件下使用超级电容器储能必须进行升压的要求，应用升压原理，设计一个升压电路，使电源电压从1.0v升压到3.0v。
本文的主要内容安排如下：
第一章简要介绍研究超级电容器升压的背景和意义及国内外研究现状。
第二章对升压电路的基本原理进行简单介绍。
第三章对升压电路进行设计和仿真验证。
第四章对全文工作进行总结。
2升压电路的基本工作原理
2.1PWM控制的升压电路
升压斩波电路组成较简单，它由开关晶体管V，二极管VD1，电感L和输出滤波电容C组成。
因为电感L上的电压通常高于输入电压，再加上二极管的隔离作用，使得升压斩波电路的输出电压高于输入电压。
图2.1升压斩波电路原理图
此方案需要多个辅助电路才能实现升压，还要外加电源，且输入电压不能太低，过程损耗也很大，不符合设计任务的要求，故不采用。
2.2带变压器的升压电路
图2.2升压电路
如上图，此电路主要是由变压器和分立式三极管组成。
变压器需要用到高频率的震荡三极管为其工作的，这种震荡产生的交流脉冲强，不太稳定，转换效率低，输出功率小。
考虑到设计要求的效率，故也不采纳这种方案。
2.3晶体管的倍压整流升压电路
图2.3二倍整流电路图
如上图，电路由二极管和电容、电阻构成，比较简单，元器件少，充电效率高，过程损耗也小。
首先在第一半周E2经V1对C1充电至E2的峰值E2m，第二半周C1上的电压和电源电压相加经V2对C2充电至2E2m。
当然开始几个周期电容上的电压并不能真正充到这样高，但经过几个周期以后，C2上的电压渐渐能稳定在2E2m左右，这就是2倍压整流的原理。
2.4改进的升压电路
此电路利用三级管的关断功能，再加上变压器，使倍压整流电路得到一个脉冲，促使电容充放电，达到升压的目的。
输入1v的电源，升压后输出3v。
电路设计简单，低输入，高效率，是比较完善的升压电路设计。
图2.4升压电路
3电路的设计与仿真
3.1整体设计电路
本文采用二极管倍压整流电路加上三极管和变压器的方法来实现升压。
这种电路适用于高电压、小电流的场所。
倍压整流是利用二极管的整流和导引作用，将经过变压器脉冲电能分别贮存到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，由三极管控制关断得到输出高于输入电压的高压。
下图是主电路设计原理图：
图3.1总电路原理图
3.2晶体二极管二倍整流电路原理
晶体二极管倍压整流其实是比较简单的升压电路，下图是二倍整流升压电路：
图3.2二倍整流电路图
此电路的工作原理为：
首先在第一半周E2经D1对C1充电至E2的峰值E2m，第二半周C1上的电压和电源电压相加经D2对C2充电至2E2m。
这就是二倍整流原理。
以下是元器件介绍：
1）晶体二极管的原理
电路中使用的是整流二极管，它的工作原理为：
晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体构成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，还有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差才会引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加故而引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
2）二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。
在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。
正向特性：
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。
只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”）以后，二极管才能直正导通。
导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。
反向特性：
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。
二极管处于反向偏置时，还会有微弱的反向电流流过二极管，这电流称为漏电流。
当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
3）极性电容
极性电容的原理：
交流电的正半周到来，先向电容充电，形成充电电流，此电流的大小由电容的大小决定，负半周到来时电容上被充上的正电荷又向负端放电，形成放电电流，此时正半周又同时向电容的另一端充电，一个半波过去，又会重复上述过程，这样，电容虽是绝缘的，没有任何电流流过，但在电路里却形成了交变电流，这就是电容的功能，每个周波充电的过程就是电流的首半波。
3.3电路仿真
Proteus是一款进行电路仿真的良好软件，通过它我们可以对各种电路进行模拟仿真，这样可以让我们在实际实验前能够判断我们程序以及电路图的正确性。
在绘proteus电路图时我们经常要用到各种各样的元器件，这些元器件种类繁多，要把它们全部记忆下来很困难，我们不妨将常用的元器件的英文名称及中文名称罗列下来，以后需要使用时，直接查找即可。
在电脑上安装好软件后，在开始栏单击ISIS图标,便弹出初始操作界面如图：
图3.3初始界面
鼠标点击“P”按钮弹出如下查找界面：
图3.4查找界面
我们现在要画本论文的升压电路仿真图，比如我们要查找变压器TRSAT2P3S，只要在查找界面中关键字查找栏输入TRSAT2P3S就可查找到，其他元器件查找也一样。
图3.5变压器
画好的仿真图如下图：
图3.6电路仿真图
设置不同的参数有不同的输出电压效果，比如变压器设置参数如图：
图3.7变压器参数1
R1=3k,C1=22uF,C2=47uF,输出的电压是2.4V左右，仿真效果如图：
图3.8仿真效果1
再如变压器的losses改为150k，如图：
图3.9变压器参数2
R1=2.5k,其他参数不变，仿真效果如图：
图3.10仿真效果2
通过多次调整参数设置，得到比较理想的仿真效果，如图3.11,变压器设置参数如图3.12，其他参数为：
R9=100Ω,R2=200Ω,R1=2.5k,C1=22uF,C2=47uF,得到了输出电压在3v左右。
图3.11仿真效果3
图3.12变压器参数3
还有其他元器件的参数为：
电阻R9=100Ω，R2=200Ω，R1=2.5k，电容C1=22uF，C2=47uF。
4总结
本论文工作为超级电容器充电升压电路设计，主要任务是将电压提升后给超级电容器充电，从1.0V升到3.0V。
在查阅相关资料，了解超级电容器的原理及充放电特性，掌握升压电路设计的方法的基础上，提出了利用三极管控制电路关断设计了一种二极管倍压整流升压电路。
运用Proteus仿真软件仿真了电路，电路仿真效果基本达到了论文的基本要求。
不足之处是本次设计的电路较简单，且未能制作实际器件进行验证。
参考文献
【1】B．E．康维著，陈艾等译.电化学超级电容器：
科学原理及技术应用【M】.北京：
化学工业出版社，北京，2005.8
【2】洪乃刚.电力电子技术基础【M】.北京：
清华大学出版社，2008.1
【3】邢壮.MC34063DC/DC转换控制电路测试方法概述【J】.电子与封装，2013，
【4】朱磊等.超级电容器的研究及其应用.【J】，2003
【5】张劲松.超级电容器的原理及应用.【J】.职业，2009
【6】牧伟芳.超级电容器的应用与展望【J】.2010
【7】王兆安，刘进军.电力电子技术【M】.机械工业出版社
【8】王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用手册【M】.机械工业出版社
【9】电源技术应用【J】.2009，12
（1）
【10】王讯.城市轨道交通车载超级电容储能系统控制策略的研究【D】.北京交通大学.2010.27
【11】陆佳颖.超低压电源供电的便携式电子产品电源管理系统的设计和研究【D】.浙江大学，2010
致谢
本文是在我的指导老师文春明教授的精心指导下完成的，在我的整个毕设过程中文老师对我谆谆教导和关怀可谓令我毕生难忘。
文老师严谨治学的作风和精益求精的态度深深影响和鼓励了我。
在我的设计过程中文老师提出了很多宝贵意见和很多思路，并给予了大力支持，才使我能够完成此次的毕业设计。
还有在设计中难免会有些许烦躁，但我一找到文老师，他都会耐心地开导。
对文老师给予的诸多帮助和鼓励，在此对文老师我表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。
同时我也要感谢我们同组成员们多多帮助。
设计初期，我都向组里的同学请教，他们都很认真地给出建议和交流他们的想法，感觉特别温馨。
对于我的反复请教，组员们都不厌其烦地一一解答我的疑惑，我表示感谢。
他们的许多有益的建议和思路，使我得以完成此次设计，本论文的顺利完成离不开他们所有人的帮助。
我表示感谢，感谢有你们一路支持。
我还有很多的感谢，我要感谢所有在广西民族大学教授我知识、技能和做人的所有教授和老师们对我的悉心教导。
感谢师兄师姐在我刚踏进大学引导我更好地适应大学生活，也在我生活学习的给予指引和鼓励，更感谢你们的榜样力量时时激励着我要树立梦想，向前努力实现自己的梦想。
我还要感谢一起度过四年的同班同学们，大学四年的学习生活中有你们陪我一同快乐成长。
同班同学间那种互相关心互相帮助的友谊深深地感动了我，已经存在我深深的脑海里，使我一生难忘。
和你们度过了四年的大学生活，有快乐，也有不愉快，总之，大学有你们陪伴很是感谢。
在此，我也要感谢我的父母，没有你们的支持和关爱就没有现在的我。
最后，我要衷心的感谢在百忙之中抽出时间为我审阅论文的各位老师，再次表达我最由衷的谢意。
普通全日制本科生毕业论文（设计）指导教师评定成绩表（理、工科）
项目
优秀
（100-90分）
良好
（89-80分）
中等
（79-70分）
及格
（69-60分）
不及格
（<60分）
最高分
评分
论文选题x1
选题符合本专业培养目标要求，选题角度新颖，富于创造性，具有较高的理论研究和应用研究意义。
选题符合本专业培养目标要求，有一定的理论研究和应用研究意义。
选题符合本专业培养目标要求，能结合专业理论学习和社会实践。
选题符合本专业培养目标要求，但理论水平和应用性较差
选题不符合本专业培养目标要求，选题无理论研究和应用研究意义。
100
90
文献资料x2
阅读大量的参考资料、文献，掌握大量的背景资料和数据。
论文中使用材料翔实、恰当。
阅读大量参考资料、文献，论文中有比较丰富的文献材料和较充足的理论依据
阅读较多的参考资料文献。
论文中持论有据
能阅读一些参考文献，论文中理论根据及客观材料有少部分欠缺
阅读参考资料很少，文献，论文中缺乏理论根据，客观材料空泛。
100
61
综合知识与技能的运用x3
能在问题研究中综合运用专业知识以及计算机、英语等各方面的能力。
较强的实际动手能力。
能运用专业理论以及计算机、英语等各方面能力。
有较好的理论基础和专业知识，有一定的实际动手能力。
基础知识和综合能力一般，但能独立完成论文，实际动手能力尚可。
基础知识和综合能力较差，经过努力可在教师指导下完成论文，实际动手能力较弱。
缺乏应有的专业基础知识和综合能力，不能独立完成论文，实际动手能力较差。
100
55
研究成果与学术水平
x4
对研究的问题能较深刻分析或有创新，独到之处，技术设计路线合理；理论分析与计算分析正确，实验数据准确可靠；研究成果突出，反映作者很好的掌握了本专业的基础理论与知识。
对研究的问题能正确分析或有新的见解，技术设计路线合理；理论分析与计算分析正确，实验数据准确可靠；研究成果比较突出，反映出作者较好的掌握了本专业的基础理论与知识。
对研究的问题提出自己的见解，技术设计路线合理；理论分析与计算分析基本准确，实验数据基本准确；研究成果有一定意义，反映作者基本掌握了本专业的基础理论与知识。
研究能力较弱，对某些问题提不出个人见解，技术设计路线基本合理，理论分析与计算分析无大错，实验数据无原则性差错，未取得什么成果，反映出作者对本专业的基础理论与知识掌握不够扎实。
技术设计路线不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，缺乏研究能力，未取得什么成果，反映出作者对本专业基础理论与知识掌握不扎实。
100
58
写作水平x5
理论分析准确，逻辑严密，层次清楚，结构合理，语言流畅。
理论分析恰当，条理清楚，层次比较清楚，语言通顺。
条理清楚，有一定的分析能力和说服力，有少许语病
材料陈述较为清楚，但分析力不强，个别地方语言不通顺。
分析能力差，论证不准确，材料简单堆砌。
语言不准确
100
55
格式规范化
x6
论文格式符合要求，打印清晰漂亮，无错别字，达到正式出版物水平。
格式基本符合要求，有个别错误，打印清楚，基本达到正式出版物水平
内容提要和正文基本符合要求，但注释和参考文献格式有问题，打印基本清楚。
行文基本规范，但不符合学校规定的要求
论文的格式不规范、打印不清晰
100
65
成绩
学生毕业论文总成绩=0.1x1+0.1x2+0.2x3+0.3x4+0.2x5+0.1x6= 61
普通全日制本科生毕业论文（设计）指导教师评语及成绩评定表
论文题目
超级电容器充电升压电路的设计
指导教师
升级会员 