1、引言

在直流升壓電路的設(shè)計中，Boost升壓電路結(jié)構(gòu)簡單，可將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，廣泛應(yīng)用于可調(diào)整直流開關(guān)電源和直流電機(jī)驅(qū)動。Boost電路只有一個開關(guān)管，克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高，不存在橋式電路共態(tài)導(dǎo)通等優(yōu)點。

本文采用Boost斬波電路為直流升壓電路的主電路，并以SG3525為控制核心設(shè)計了控制電路，其中包括完善的保護(hù)電路，以期當(dāng)輸入電壓為DC78～117V時，輸出可基本穩(wěn)定在DC650V。仿真實驗證明，本文的設(shè)計方法正確，電路簡單實用，能較好的達(dá)到預(yù)定目的。

2、設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示，額定輸入為96V，目的是升壓至DC540V后輸出。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

輸出電壓經(jīng)采樣及信號調(diào)理以后，送至SG3525的1腳，1腳為誤差放大器反向輸入端，將反饋信號接到該引腳形成閉環(huán)控制。將SG3525產(chǎn)生的PWM波經(jīng)由隔離驅(qū)動電路后驅(qū)動Boost斬波電路中的開關(guān)器件IGBT，將直流輸入電壓升壓至設(shè)定值輸出。

3、硬件設(shè)計

3.1、主電路的設(shè)計

本系統(tǒng)主電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 升壓主電路

3.1.1、緩沖電路的設(shè)計

緩沖電路由電容C1、電阻RL、開關(guān)K1、K2組成，目的是為了給升壓電路及后級的逆變電路提供相對恒定的直流電壓，防止沖擊電壓和沖擊電流對功率器件造成損壞。K1閉合，直流電源接通，起初輸入側(cè)濾波電容器上的電壓為0V，接通瞬間產(chǎn)生的沖擊電壓和沖擊電流可能對主功率電路造成損壞。因此，在電源輸入和濾波器之間接入限流電阻RL，將濾波器的充電電流限制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)濾波電容器充電完畢后，K2閉合，將限流電阻RL短接。限流電阻RL的取值為20kΨ。在以上過程中，K3是打開的。

大電容C1也可起到濾波作用，濾去直流電壓中的脈動成分。電阻R為系統(tǒng)停止工作后大電容C1提供放電回路，將K3閉合，即可為C1提供放電回路。電阻R取值為10kΨ。

3.1.2、電路參數(shù)計算及器件選型

(1)功率管

Boost電路輸入平均電流為：

Ii=Po/E

輸出功率為1kW，故輸入電流最大值為：

Iimax=Po/Emin=1000/78=12.8(A)

功率管導(dǎo)通時最大峰值電流為：

IQP≈Iimax+Io=12.8+1000/540=14.7(A)

考慮額定電壓、電流裕值和元器件成本，選擇IGBT模塊IRGKIN050M12作為Boost電路的功率管，其規(guī)格為100A/1200V。

(2)二極管

通過二極管的最大電流值

ID≈Iimax=12.8(A)

(3)升壓電感的設(shè)計

根據(jù)儲能電感取值的不同，電路可分為連續(xù)工作狀態(tài)和不連續(xù)工作狀態(tài)兩種模式。

工作在連續(xù)、不連續(xù)臨界情況下的臨界電感為：

L=Uo·TS·αmin(1-αmin)(1-αmin)/(2Uo)(1)

式中，Uo為輸出電壓;TS為工作周期;Io為輸出電流，αmin為最小占空比。

已知Boost電路輸入直流電壓E變化范圍為78～117V，輸出直流電壓Uo=540V，可推得占空比變化范圍為：

開關(guān)管工作頻率為10kHz，則可得：

TS=1/fs=100μs(3)

輸出電流范圍為0.5～1.85A，由式(1)可得：

L≈1.99(mH)(4)

實際應(yīng)用中Boost電路升壓設(shè)計在連續(xù)模式工作區(qū)間，故升壓電感應(yīng)大于臨界值，取L=3.5(mH)

(4)輸出濾波電容的設(shè)計

電感電流連續(xù)模式下，考慮濾波電容器有內(nèi)部寄生電阻，同時考慮二極管電流ID的紋波電流會全部流進(jìn)電容器C，以保證負(fù)載上得到平直的直流電流。在指定紋波電壓限制下，需要電容值C為：

由于在電感充電期間，電容獨立為負(fù)載供電，故由式計算出的電容值偏小，應(yīng)留有一定裕量，實際中選擇C=47μF。

3.2、控制電路設(shè)計

3.2.1、PWM波的產(chǎn)生

PWM波產(chǎn)生電路如圖3所示，該PWM波產(chǎn)生電路以SG3525芯片為主，外圍搭配適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙莸冉M成。

圖3 PWM波產(chǎn)生電路

3.3.2、隔離驅(qū)動電路的設(shè)計

IGBT的驅(qū)動方法常用有：直接驅(qū)動法、隔離驅(qū)動法和集成模塊驅(qū)動電路。

EXB841適用于開關(guān)頻率為40kHz以下的開關(guān)操作，可以用來驅(qū)動400A，600V或300A，1200V以下的功率IGBT。它采用單電源工作，供電簡單，內(nèi)置高速光耦實現(xiàn)輸入、輸出的隔離，隔離電壓可達(dá)AC2500V/min。同時，芯片內(nèi)部設(shè)有過電流保護(hù)電路，且過電流保護(hù)后在封鎖自身輸出的同時，由專門的故障信號輸出端發(fā)出故障信號。EXB841驅(qū)動IGBT的電路如圖4所示。

圖4 EXB841驅(qū)動IGBT的電路圖

3.2.3、采樣及信號調(diào)理電路的設(shè)計

對電壓采樣通常有兩種方法：一是利用分壓電阻進(jìn)行采樣;二是采用電壓采樣霍爾。綜合考慮，本文采用分壓電阻進(jìn)行采樣。由于進(jìn)行采樣的輸入電壓為540V，故須對采樣值進(jìn)行調(diào)理。電壓采樣及信號調(diào)理電路如圖5所示。

Boost電路輸出電壓為Us為：

Us=0.007659Uo-2.949

圖5 電壓采樣及信號調(diào)理電路

當(dāng)輸出電壓上下波動達(dá)30V，即510V≤Uo≤570V時，可得到Us的范圍為0.96V≤Us≤1.42V。

3.2.4、保護(hù)電路的設(shè)計

本系統(tǒng)中設(shè)計了較為完備的保護(hù)電路及保護(hù)程序，保護(hù)電路主要有以下幾個部分：(1)輸出過壓保護(hù)電路;(2)輸入過壓、欠壓保護(hù)電路;(3)IGBT短路保護(hù)電路;(4)溫度保護(hù)電路。

4、仿真實驗及分析

為了所設(shè)計的Boost電路自身特性及性能，用MATLAB/Simulink軟件對Boost電路構(gòu)建了仿真模型，如圖6所示，進(jìn)行了一系列仿真實驗。

圖6 Boost電路仿真模型

運行仿真模型，得到以下仿真波形，如圖7所示。

圖7 額定輸入電壓時的仿真波形

由Boost電路仿真結(jié)果可見，Boost電路對波動的輸入電壓有較好的調(diào)節(jié)功能;所設(shè)計的緩沖電路及器件參數(shù)的選擇較為合理;所選擇的功率器件能滿足電路的要求。

5、結(jié)語

本文概述了基于SG3525的直流升壓電源系統(tǒng)的設(shè)計方案。對主電路、PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路進(jìn)行了詳細(xì)的研究和設(shè)計。最后用MATLAB/Simulink軟件，對電路進(jìn)行了仿真實驗，實驗結(jié)果證明，本文的設(shè)計方法是正確的。