1、引言
在直流升壓電路的設計中，Boost升壓電路結構簡單，可將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，廣泛應用于可調整直流開關電源和直流電機驅動。Boost電路只有一個開關管，克服了傳統串聯型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點，具有體積小、結構簡單、變換效率高，不存在橋式電路共態(tài)導通等優(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為控制核心設計了控制電路，其中包括完善的保護電路，以期當輸入電壓為DC78～117V時，輸出可基本穩(wěn)定在DC650V。仿真實驗證明，本文的設計方法正確，電路簡單實用，能較好的達到預定目的。
2、設計方案
系統設計框圖如圖1所示，額定輸入為96V，目的是升壓至DC540V后輸出。
圖1 系統設計框圖
輸出電壓經采樣及信號調理以后，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產生的PWM波經由隔離驅動電路后驅動Boost斬波電路中的開關器件IGBT，將直流輸入電壓升壓至設定值輸出。
3、硬件設計
3.1、主電路的設計
本系統主電路設計如圖2所示。
圖2 升壓主電路
3.1.1、緩沖電路的設計
緩沖電路由電容C1、電阻RL、開關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，起初輸入側濾波電容器上的電壓為0V，接通瞬間產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。當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)升壓電感的設計
根據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)
實際應用中Boost電路升壓設計在連續(xù)模式工作區(qū)間，故升壓電感應大于臨界值，取L=3.5(mH)
(4)輸出濾波電容的設計
電感電流連續(xù)模式下，考慮濾波電容器有內部寄生電阻，同時考慮二極管電流ID的紋波電流會全部流進電容器C，以保證負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，電容獨立為負載供電，故由式計算出的電容值偏小，應留有一定裕量，實際中選擇C=47μF。
3.2、控制電路設計
3.2.1、PWM波的產生
PWM波產生電路如圖3所示，該PWM波產生電路以SG3525芯片為主，外圍搭配適當的電阻、電容等組成。
圖3 PWM波產生電路
3.3.2、隔離驅動電路的設計
IGBT的驅動方法常用有：直接驅動法、隔離驅動法和集成模塊驅動電路。
EXB841適用于開關頻率為40kHz以下的開關操作，可以用來驅動400A，600V或300A，1200V以下的功率IGBT。它采用單電源工作，供電簡單，內置高速光耦實現輸入、輸出的隔離，隔離電壓可達AC2500V/min。同時，芯片內部設有過電流保護電路，且過電流保護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驅動IGBT的電路如圖4所示。
圖4 EXB841驅動IGBT的電路圖
3.2.3、采樣及信號調理電路的設計
對電壓采樣通常有兩種方法：一是利用分壓電阻進行采樣;二是采用電壓采樣霍爾。綜合考慮，本文采用分壓電阻進行采樣。由于進行采樣的輸入電壓為540V，故須對采樣值進行調理。電壓采樣及信號調理電路如圖5所示。
Boost電路輸出電壓為Us為：
Us=0.007659Uo-2.949
圖5 電壓采樣及信號調理電路
當輸出電壓上下波動達30V，即510V≤Uo≤570V時，可得到Us的范圍為0.96V≤Us≤1.42V。
3.2.4、保護電路的設計
本系統中設計了較為完備的保護電路及保護程序，保護電路主要有以下幾個部分：(1)輸出過壓保護電路;(2)輸入過壓、欠壓保護電路;(3)IGBT短路保護電路;(4)溫度保護電路。
4、仿真實驗及分析
為了所設計的Boost電路自身特性及性能，用MATLAB/Simulink軟件對Boost電路構建了仿真模型，如圖6所示，進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電路仿真結果可見，Boost電路對波動的輸入電壓有較好的調節(jié)功能;所設計的緩沖電路及器件參數的選擇較為合理;所選擇的功率器件能滿足電路的要求。
5、結語
本文概述了基于SG3525的直流升壓電源系統的設計方案。對主電路、PWM波產生電路、驅動電路和保護電路進行了詳細的研究和設計。最后用MATLAB/Simulink軟件，對電路進行了仿真實驗，實驗結果證明，本文的設計方法是正確的。
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