1、 普通全日制本科畢業論文（設計） 論文題目 ：超級電容器充電升壓電路的設計 普通全日制本科畢業論文（設計）任務書 課題名稱 超級電容器充電升壓電路的 設計 學 院 信息科學與工程學院 指導教師（簽名）_ 2013 年 11月 30 日教研室主任（簽名）_ 2013 年 11 月 30 日 2013年 11 月 30 日普通全日制本科畢業論文（設計）任務書課題名稱超級電容器充電升壓電路設計 指導教師姓名文春明工作單位廣西民族大學一、主要內容：查閱相關資料，了解超級電容器的原理及充放電特性；掌握升壓電路設計的方法；設計電路。二、基本要求(基本技術要求與數據）1.掌握升壓電路設計的方法；2.設計升壓

2、電路；3.對升壓電路進行仿真；三、論文（設計）工作起始日期：自 2013 年 9 月 23 日起，至 2014 年 5 月 10日 四、進度與應完成的工作： 2013.09.23-2013.11.30: 指導教師下達畢業設計（論文）任務書，學生接受任務、收集、查閱相關文獻資料。2013.12.01-2014.03.15: 學生撰寫論文提綱；系統設計、調試、實驗；撰寫論文（設計說明書）。2014.03.16-2014.03.19: 論文修改、定稿。2014.04.22-2014.05.10: 論文答辯準備及答辯。五、主要參考文獻、資料【1】 BE康維 著，陳艾等譯. 電化學超級電容器：科學原理及

3、技術應用【M】. 北京：化學工業出版社，北京，2005.8.【2】洪乃剛.電力電子技術基礎【M】.北京：清華大學出版社，2008.1.【3】邢壯.MC34063DC/DC轉換控制電路測試方法概述【J】.電子與封裝，2013，,1（5）：9-11. 目錄目錄1題目：超級電容器充電升壓電路的設計3摘要3關 鍵 詞：超級電容 晶體二極管 三極管 倍壓整流電路3Title:The design and implementation of super capacitor charging booster circuit4Abstract4Key words： Super capacitor Crysta

4、l diode TriodeVoltage doubling rectifying circuit41 前言51.1課題背景及研究意義51.2國內外研究現狀51.3本文主要工作62 升壓電路的基本工作原理72.1 PWM控制的升壓電路72.2 帶變壓器的升壓電路82.3 晶體管的倍壓整流升壓電路82.4 改進的升壓電路93 電路的設計與仿真93.1 整體設計電路93.2 晶體二極管二倍整流電路原理103.3 電路仿真124 總結18參考文獻19致謝20題目：超級電容器充電升壓電路的設計摘要超級電容是一種有著優良的脈沖放電性能和大容量儲能性能的新型儲能元件，是一種兼備電容和電池特性的新型元件，它

5、可提供超大功率并具有超長壽命，近年來受到科學研究人員的廣泛重視，在儲能領域應用日趨廣泛。在一些電源電壓較低的場合，如微型發電機等，需要升壓，才能給超級電容充電。因此，研究升壓電路具有一定的現實意義。 在比較分析幾種直流電源的升壓結構進行后，選用了改進過的結構比較簡單的晶體二極管倍壓整流升壓電路的結構。本設計采用三極管關斷特性調節輸出電壓來控制此電路中電容的充放電，以獲得穩定輸出電壓。用仿真軟件對本升壓電路進行仿真，驗證了電路設計。本設計具有電路簡單，元器件較少等特點。關 鍵 詞：超級電容 晶體二極管 三極管 倍壓整流電路 Title:The design and implementation

6、of super capacitor charging booster circuitAbstract Super capacitor has excellent pulse discharge is a kind of performance and large capacity storage performance of the new energy storage components, is a new type have both capacitance and the characteristics of the battery components, it can provid

7、e super power and has long life, scientific research personnel's extensive attention in recent years, increasingly widely used in the field of energy storage. In some low power supply voltage, such as small generators, need booster, can give the super capacitor charging. As a result, 突出顯示 the su

8、per capacitor is a very good development prospect in the field of energy storage. In the comparative analysis of several kinds of booster structure of the dc power supply，choose the structure of the modified simple crystal diode voltage doubling rectifying booster circuit structure. For the control

9、circuit of capacitance, charge and discharge time, this design USES the triode shutoff feature to adjust output voltage to control the charging and discharging of capacitance in this circuit, in order to obtain a stable output voltage.With this booster circuit simulation software, simulation results

10、 verify the circuit design. This design has simple circuit, fewer components, etc.Key words： Super capacitor Crystal diode Triode Voltage doubling rectifying circuit1 前言1.1課題背景及研究意義 隨著社會經濟的發展，人們越來越關注綠色能源和生態環境，超級電容器作為一種新型的儲能器件，因為其無可替代的優越性，越來越受到人們的重視。超級電容器正廣泛應用于人們的生產生活。超級電容器按儲能機理來分，超級電容器分為雙層電容器和贗電容器。超

11、級電容作為一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。太陽能、風能等這些自然能源具有綠色環保特性，因其往往具有不均勻性，電能輸出容易發生變化。所以需要一種緩沖器來儲存能量，即是在電能輸出較大時將過剩的能量存儲在儲能裝置中；同時，在電能輸出不足時，又可以在短時間內通過儲能裝置供給所需的峰值能量，起到一定的過度作用。超級電容器在新能源領域里，如發電機領域，由于自身電阻小、充電快、儲能大、壽命長和可靠性強等優勢。目前，使它在電力系統、風力發電、太陽能產品、海上風機稅控機等領域得到廣泛應用。在某些輸出電壓較低的場合，如微型發電機等，要為超級電容器充電需要將電壓

12、升高后才能有效利用超級電容器的優良儲能特性。因此對超級電容器升壓電路進行研究具有十分重要的現實意義。1.2國內外研究現狀超級電容器產品因其特殊的優點，已在很多領域中得到廣泛的應用，比如在通訊、鐵路、電子、航天以及軍事等領域，超級電容器在這些領域中起的作用越來越大，它的前景是非常廣闊的。我國對超級電容器的研究已有30多年的歷史，對用活性炭作為材料的超級電容器也有了一定的研究，且有了一些小型商品。大慶華隆電子有限公司是國內較早批量生產超級電容器產品的公司，其產品有3.5v、5.5v、11v等系列。但在國內，能夠批量生產，且達到實用化水平的廠家較少。各高校也有了許多研究超級電容器的成果，如東北師范大

13、學研究開發了聚并苯超級電容器，改善了超級電容器的電性能和結構。但就整體而言，我國在超級電容器研究領域仍落后于世界水平，有較大的差距。超級電容器作為發展前景很廣的新能源儲能裝置，在國外已有非常多的機構和部門在從事這方面的研究，甚至還有的公司實現了商業化。目前，處在領先地位的國家有日本、美國和俄羅斯，幾乎占據了超級電容器的整個市場。特別是日本，其本國生產加上海外生產，市場占有率接近90%。日本的Panasonic公司對小型超級電容器的研究是處于領先地位的，其3v1500F的超級電容器經過了Idaho National Engineering Laboratory的檢測，可以從3v放電到1.5v。美

14、國的國防部和能源部很早就重視對超級電容器的研究和開發。美國的戰略防御計劃僅在19921995年就資助200萬美元由Maxwell公司進行軍事系統彈道高脈沖功率電源超大電容器的研制。美國在2002年就曾報道說已制成270v，534F的電容存儲系統，通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放率等的調整，使電脈沖推進器、電弧噴氣式伺服器等裝置能在脈沖條件下達到任何平均功率水平的功率狀態。在伊拉克戰爭中，美國軍方就用過一種叫“微波炸彈”的新式武器。該武器上就裝有超級電容器來發出超強電磁脈沖，使打擊威力更強。俄羅斯ECOND公司對超級電容器的研究已有20多年的歷史,其水平代表了俄羅斯最先進的水平。它的主要產品

15、為大功率超級電容器，適用于動力電源，而且具有價格優勢。早在1996年俄羅斯Ell ran 公司就研制出了以純電容器作電源的電動汽車樣品，串聯了300個超級電容，能搭乘20多個人，充電一次可行駛12km。目前研究主要集中于提升超級電容器的容量和降低成本方面，對于超級電容器升壓研究很少。1.3本文主要工作本文通過對低電壓條件下使用超級電容器儲能必須進行升壓的要求，應用升壓原理，設計一個升壓電路，使電源電壓從1.0v升壓到3.0v。本文的主要內容安排如下：第一章簡要介紹研究超級電容器升壓的背景和意義及國內外研究現狀。第二章對升壓電路的基本原理進行簡單介紹。第三章對升壓電路進行設計和仿真驗證。第四章對

16、全文工作進行總結。2 升壓電路的基本工作原理2.1 PWM控制的升壓電路升壓斬波電路組成較簡單，它由開關晶體管V，二極管VD1，電感L和輸出濾波電容C組成。因為電感L上的電壓通常高于輸入電壓，再加上二極管的隔離作用，使得升壓斬波電路的輸出電壓高于輸入電壓。 圖2.1升壓斬波電路原理圖此方案需要多個輔助電路才能實現升壓，還要外加電源，且輸入電壓不能太低，過程損耗也很大，不符合設計任務的要求，故不采用。2.2 帶變壓器的升壓電路 圖2.2升壓電路如上圖，此電路主要是由變壓器和分立式三極管組成。變壓器需要用到高頻率的震蕩三極管為其工作的，這種震蕩產生的交流脈沖強，不太穩定，轉換效率低，輸出功率小。考

17、慮到設計要求的效率，故也不采納這種方案。2.3 晶體管的倍壓整流升壓電路 圖2.3二倍整流電路圖如上圖，電路由二極管和電容、電阻構成，比較簡單，元器件少，充電效率高，過程損耗也小。首先在第一半周E2經V1對C1充電至E2的峰值E2m，第二半周C1上的電壓和電源電壓相加經V2對C2充電至2E2m。當然開始幾個周期電容上的電壓并不能真正充到這樣高，但經過幾個周期以后，C2上的電壓漸漸能穩定在2E2m左右，這就是2倍壓整流的原理。2.4 改進的升壓電路此電路利用三級管的關斷功能，再加上變壓器，使倍壓整流電路得到一個脈沖，促使電容充放電，達到升壓的目的。輸入1v的電源，升壓后輸出3v。電路設計簡單，低

18、輸入，高效率，是比較完善的升壓電路設計。圖2.4升壓電路3 電路的設計與仿真 3.1 整體設計電路本文采用二極管倍壓整流電路加上三極管和變壓器的方法來實現升壓。這種電路適用于高電壓、小電流的場所。倍壓整流是利用二極管的整流和導引作用，將經過變壓器脈沖電能分別貯存到各自的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來，由三極管控制關斷得到輸出高于輸入電壓的高壓。下圖是主電路設計原理圖： 圖3.1總電路原理圖3.2 晶體二極管二倍整流電路原理 晶體二極管倍壓整流其實是比較簡單的升壓電路，下圖是二倍整流升壓電路： 圖3.2二倍整流電路圖此電路的工作原理為：首先在第一半周E2經D1對C1充電至E2的峰值E

19、2m，第二半周C1上的電壓和電源電壓相加經D2對C2充電至2E2m。這就是二倍整流原理。以下是元器件介紹：1）晶體二極管的原理電路中使用的是整流二極管，它的工作原理為：晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體構成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，還有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差才會引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加故而引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當

20、外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現象。2） 二極管的導電特性二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。下面通過簡單的實驗說明二極管的正向特性和反向特性。正向特性：在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數值（這一數值稱為“門檻電壓”）以后，二極管才能直

21、正導通。導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。反向特性：在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時，還會有微弱的反向電流流過二極管，這電流稱為漏電流。當二極管兩端的反向電壓增大到某一數值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態稱為二極管的擊穿。 3)極性電容極性電容的原理：交流電的正半周到來，先向電容充電，形成充電電流，此電流的大小由電容的大小決定，負半周到來時電容上被充上的正電荷又向負端放電，形

22、成放電電流，此時正半周又同時向電容的另一端充電，一個半波過去，又會重復上述過程，這樣，電容雖是絕緣的，沒有任何電流流過，但在電路里卻形成了交變電流，這就是電容的功能，每個周波充電的過程就是電流的首半波。3.3 電路仿真 Proteus是一款進行電路仿真的良好軟件，通過它我們可以對各種電路進行模擬仿真，這樣可以讓我們在實際實驗前能夠判斷我們程序以及電路圖的正確性。在繪proteus電路圖時我們經常要用到各種各樣的元器件，這些元器件種類繁多，要把它們全部記憶下來很困難，我們不妨將常用的元器件的英文名稱及中文名稱羅列下來，以后需要使用時，直接查找即可。在電腦上安裝好軟件后，在開始欄單擊ISIS圖標,

23、便彈出初始操作界面如圖：圖3.3初始界面鼠標點擊“P”按鈕彈出如下查找界面：圖3.4查找界面我們現在要畫本論文的升壓電路仿真圖，比如我們要查找變壓器TRSAT2P3S，只要在查找界面中關鍵字查找欄輸入TRSAT2P3S就可查找到，其他元器件查找也一樣。圖3.5變壓器畫好的仿真圖如下圖：圖3.6電路仿真圖設置不同的參數有不同的輸出電壓效果，比如變壓器設置參數如圖：圖3.7變壓器參數1R1=3k,C1=22uF,C2=47uF,輸出的電壓是2.4V左右，仿真效果如圖：圖3.8仿真效果1再如變壓器的losses改為150k，如圖：圖3.9變壓器參數2R1=2.5k,其他參數不變，仿真效果如圖：圖3.

24、10仿真效果2通過多次調整參數設置，得到比較理想的仿真效果，如圖3.11,變壓器設置參數如圖3.12，其他參數為：R9=100,R2=200,R1=2.5k,C1=22uF,C2=47uF,得到了輸出電壓在3v左右。圖3.11仿真效果3圖3.12變壓器參數3還有其他元器件的參數為：電阻R9=100， R2=200，R1=2.5k，電容C1=22uF，C2=47uF。 4 總結 本論文工作為超級電容器充電升壓電路設計，主要任務是將電壓提升后給超級電容器充電，從1.0V升到3.0V。在查閱相關資料，了解超級電容器的原理及充放電特性，掌握升壓電路設計的方法的基礎上，提出了利用三極管控制電路關斷設計了

25、一種二極管倍壓整流升壓電路。運用Proteus仿真軟件仿真了電路，電路仿真效果基本達到了論文的基本要求。 不足之處是本次設計的電路較簡單，且未能制作實際器件進行驗證。參考文獻【1】 BE康維 著，陳艾等譯. 電化學超級電容器：科學原理及技術應用【M】. 北京：化學工業出版社，北京，2005.8【2】洪乃剛.電力電子技術基礎【M】.北京：清華大學出版社，2008.1【3】邢壯.MC34063DC/DC轉換控制電路測試方法概述【J】.電子與封裝，2013，【4】朱磊等.超級電容器的研究及其應用.【J】，2003【5】張勁松.超級電容器的原理及應用.【J】.職業，2009【6】牧偉芳.超級電容器的應

26、用與展望【J】.2010【7】王兆安，劉進軍.電力電子技術【M】.機械工業出版社【8】王兆安，張明勛.電力電子設備設計和應用手冊【M】.機械工業出版社【9】電源技術應用【J】.2009，12(1)【10】王訊.城市軌道交通車載超級電容儲能系統控制策略的研究【D】.北京交通大學.2010.27【11】陸佳穎.超低壓電源供電的便攜式電子產品電源管理系統的設計和研究【D】.浙江大學，2010致謝本文是在我的指導老師文春明教授的精心指導下完成的，在我的整個畢設過程中文老師對我諄諄教導和關懷可謂令我畢生難忘。文老師嚴謹治學的作風和精益求精的態度深深影響和鼓勵了我。在我的設計過程中文老師提出了很多寶貴意見

27、和很多思路，并給予了大力支持，才使我能夠完成此次的畢業設計。還有在設計中難免會有些許煩躁，但我一找到文老師，他都會耐心地開導。對文老師給予的諸多幫助和鼓勵，在此對文老師我表示最崇高的敬意和最衷心的感謝。同時我也要感謝我們同組成員們多多幫助。設計初期，我都向組里的同學請教，他們都很認真地給出建議和交流他們的想法，感覺特別溫馨。對于我的反復請教，組員們都不厭其煩地一一解答我的疑惑，我表示感謝。他們的許多有益的建議和思路，使我得以完成此次設計，本論文的順利完成離不開他們所有人的幫助。我表示感謝，感謝有你們一路支持。我還有很多的感謝，我要感謝所有在廣西民族大學教授我知識、技能和做人的所有教授和老師們對

28、我的悉心教導。感謝師兄師姐在我剛踏進大學引導我更好地適應大學生活，也在我生活學習的給予指引和鼓勵，更感謝你們的榜樣力量時時激勵著我要樹立夢想，向前努力實現自己的夢想。我還要感謝一起度過四年的同班同學們，大學四年的學習生活中有你們陪我一同快樂成長。同班同學間那種互相關心互相幫助的友誼深深地感動了我，已經存在我深深的腦海里，使我一生難忘。和你們度過了四年的大學生活，有快樂，也有不愉快，總之，大學有你們陪伴很是感謝。在此，我也要感謝我的父母，沒有你們的支持和關愛就沒有現在的我。最后，我要衷心的感謝在百忙之中抽出時間為我審閱論文的各位老師，再次表達我最由衷的謝意。普通全日制本科生畢業論文（設計）指導教

29、師評定成績表（理、工科） 項目優秀（100-90分）良好（89-80分）中等(79-70分)及格（69-60分）不及格（<60分）最高分評分論文選題x1選題符合本專業培養目標要求，選題角度新穎，富于創造性，具有較高的理論研究和應用研究意義。選題符合本專業培養目標要求，有一定的理論研究和應用研究意義。選題符合本專業培養目標要求，能結合專業理論學習和社會實踐。選題符合本專業培養目標要求，但理論水平和應用性較差選題不符合本專業培養目標要求，選題無理論研究和應用研究意義。10090文獻資料x2閱讀大量的參考資料、文獻，掌握大量的背景資料和數據。論文中使用材料翔實、恰當。閱讀大量參考資料、文獻，論

30、文中有比較豐富的文獻材料和較充足的理論依據閱讀較多的參考資料文獻。論文中持論有據能閱讀一些參考文獻，論文中理論根據及客觀材料有少部分欠缺閱讀參考資料很少，文獻，論文中缺乏理論根據，客觀材料空泛。10061綜合知識與技能的運用x3能在問題研究中綜合運用專業知識以及計算機、英語等各方面的能力。較強的實際動手能力。能運用專業理論以及計算機、英語等各方面能力。有較好的理論基礎和專業知識，有一定的實際動手能力。基礎知識和綜合能力一般，但能獨立完成論文，實際動手能力尚可?；A知識和綜合能力較差，經過努力可在教師指導下完成論文，實際動手能力較弱。缺乏應有的專業基礎知識和綜合能力，不能獨立完成論文，實際動手能

31、力較差。10055研究成果與學術水平x4對研究的問題能較深刻分析或有創新，獨到之處，技術設計路線合理；理論分析與計算分析正確，實驗數據準確可靠；研究成果突出，反映作者很好的掌握了本專業的基礎理論與知識。 對研究的問題能正確分析或有新的見解，技術設計路線合理；理論分析與計算分析正確，實驗數據準確可靠；研究成果比較突出，反映出作者較好的掌握了本專業的基礎理論與知識。對研究的問題提出自己的見解，技術設計路線合理；理論分析與計算分析基本準確，實驗數據基本準確；研究成果有一定意義，反映作者基本掌握了本專業的基礎理論與知識。研究能力較弱，對某些問題提不出個人見解，技術設計路線基本合理，理論分析與計算分析無大錯，實驗數據無原則性差錯，未取得什么成果，反映出作者對本專業的基礎理論與知識掌握不夠扎實。技術設計路線不合理，理論分析與計算有原則錯誤，實驗數據不可靠，缺乏研究能力 ，未取得什么成果，反映出作者對本專業基礎理論與知識掌握不扎實。10058寫作水平x5理論分析準確，邏輯嚴密，層次清楚，結構合理，語言流暢。理論分析恰當，條理清楚，層次比較清楚，語言通順。條理