说明
1、引言
在直流升压电路的设计中，升压电路结构简单，可以将不可控直流输入变成可控直流输出，广泛应用于可调直流开关电源和直流电机驱动。 Boost电路只有一个开关管，克服了传统串联稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、转换效率高、无桥式电路共模导通等优点。
本文以Boost斩波电路为直流升压电路的主电路，SG3525为控制核心设计了控制电路。 其中包括完善的保护电路，期望输入电压为DC78~117V时，输出基本稳定在DC650V。 仿真结果证明本文设计方法准确，电路简单实用，能很好地达到预定目的。
2、设计方案
系统设计框图如图1所示，额定输入为96V，目的是升压至DC540V后输出。
图1系统设计框图
输出电压经过采样和信号调理，被传送到SG3525的第一引脚，第一引脚是误差放大器的反向输入端，将反馈信号连接到该引脚以形成闭环控制。 通过绝缘驱动电路驱动升压斩波电路的开关元件IGBT，将SG3525中产生的PWM波升压到设定值后输出。
3、硬件设计
3.1、主电路的设计
本系统的主电路设计如图2所示。
图2升压主电路
3.1.1、缓冲电路的设计
缓冲电路由电容器C1、电阻RL、开关K1、K2构成，其目的是向升压电路及后级的逆变器电路提供比较恒定的直流电压，防止冲击电压和冲击电流导致的功率器件损坏。 K1关闭，接通直流电源后，最初的输入侧滤波电容器的电压为0V，接通瞬间产生的浪涌电压和冲击电流可能会对主电力电路造成损伤。 因此，在电源输入和滤波器之间接通限流电阻RL，将滤波器的充电电流限制在一定范围内。 滤波电容器充电完成后，K2关闭，使限流电阻RL短路。 限流电阻RL的可取值为20k。 在以上过程中，K3为on。
大容量C1也作为滤波器发挥作用，去除直流电压中的脉动成分。 电阻器r可以在系统关闭后向大容量的C1提供放电电路并关闭K3，从而向C1提供放电电路。 电阻r的值为10k。
3.1.2、电路参数计算及设备选型
)1)动力管
Boost电路的输入平均电流如下。
Ii=Po/E
输出功率为1kW，因此输入电流的最大值为：
iimax=po/Emin=1000/78=12.8(a ) )
功率管on时的最大峰值电流如下。
(iqpiim axio=12.81000/540=14.7 (a ) ) ) ) ) ) ) 652
考虑额定电压、电流裕量值、部件成本，选择IGBT模块IRGKIN050M12作为升压电路的功率管，其标准为100A/1200V。
)2)二极管
通过二极管最大电流值
idiimax=12.8(a )
)3)升压电感的设计
根据储能电感取值，电路可分为连续工作状态和不连续工作状态两种模式。
动作连续、不连续临界时的临界电感如下。
yldMB(1-min ) )1-min )/(2uo ) )1) ) ) ) ) ) )。
式中，Uo为输出电压； TS是工作周期； Io为输出电流，min为最小占空比。
已知升压电路输入直流电压e的变化范围为78~117V，输出直流电压Uo=540V，可推定的占空比的变化范围如下：
开关管的动作频率为10kHz时，可以得到以下内容。
ts=1/fs=100s(3) )。
输出电流范围为0.5~1.85A，根据式(1)得出。
L1.99(MH ) )4)
在实际应用中，Boost电路的升压设计处于连续模式工作区间，因此升压电感大于阈值，l=3.5(MH )
(4)输出滤波器电容的设计
在感应电流连续模式下，认为平滑电容器中存在内部寄生电阻，并且二极管电流ID的纹波电流全部流过电容器c，在负载中得到平坦的直流电流。 在指定的纹波电压限制下，电容值c必须：
在感应充电期间，由于电容器独立地向负载供电，因此根据公式计算出的电容器的值较小，具有一定的裕量，实际上选择C=47F。
3.2、控制电路设计
3.2.1、PWM波的产生
PWM波产生电路如图3所示，该PWM波产生电路以SG3525芯片为主，周边组合适当的电阻、电容器等而构成。
图3 PWM波发生电路
3.3.2、绝缘驱动电路的设计
IGBT的驱动方法中经常使用直接驱动法、隔离驱动法、IC模块驱动电路。
EXB841适用于开关频率为40kHz以下的开关操作，可用于驱动400A、600V或300A、1200V以下的功率IGBT。 采用单电源工作，供电简单，内置高速光耦实现输入输出绝缘，绝缘电压可达AC2500V/min。 另外，在芯片内部设有过电流保护电路，过电流保护后阻止自身的输出，并且从专用的故障信号输出端子发送故障信号
号。EXB841驱动IGBT的电路如图4所示。图4 EXB841驱动IGBT的电路图
3.2.3、采样及信号调理电路的设计
对电压采样通常有两种方法：一是利用分压电阻进行采样;二是采用电压采样霍尔。综合考虑，本文采用分压电阻进行采样。由于进行采样的输入电压为540V，故须对采样值进行调理。电压采样及信号调理电路如图5所示。
Boost电路输出电压为Us为：
Us=0.007659Uo-2.949
图5 电压采样及信号调理电路
当输出电压上下波动达30V，即510V≤Uo≤570V时，可得到Us的范围为0.96V≤Us≤1.42V。
3.2.4、保护电路的设计
本系统中设计了较为完备的保护电路及保护程序，保护电路主要有以下几个部分：(1)输出过压保护电路;(2)输入过压、欠压保护电路;(3)IGBT短路保护电路;(4)温度保护电路。
4、仿真实验及分析
为了所设计的Boost电路自身特性及性能，用MATLAB/Simulink软件对Boost电路构建了仿真模型，如图6所示，进行了一系列仿真实验。
图6 Boost电路仿真模型
运行仿真模型，得到以下仿真波形，如图7所示。
图7 额定输入电压时的仿真波形
由Boost电路仿真结果可见，Boost电路对波动的输入电压有较好的调节功能;所设计的缓冲电路及器件参数的选择较为合理;所选择的功率器件能满足电路的要求。
5、结语
本文概述了基于SG3525的直流升压电源系统的设计方案。对主电路、PWM波产生电路、驱动电路和保护电路进行了详细的研究和设计。最后用MATLAB/Simulink软件，对电路进行了仿真实验，实验结果证明，本文的设计方法是正确的。
打开APP阅读更多精彩内容
点击阅读全文