基于SG3525的直流升压电源的设计与仿真

描述

1、引言

在设计直流升压电路时，Boost升压电路结构简单，可将不可控直流输入转化为可控直流输出，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，克服了传统系列稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高、桥式电路共态导通等优点。

本文采用Boost斩波电路是直流升压电路的主电路SG控制电路设计为控制核心，包括完善的保护电路，以输入电压为准DC78～117V当输出基本稳定时DC650V。仿真实验证明，本文的设计方法正确，电路简单实用，能较好的达到预定目的。

2、设计方案

如图1所示，系统设计框图为96V，目的是升压到DC540V后输出。

图1 系统设计框图

输出电压经采样和信号调节后送至SG3525的1脚，1脚为误差放大器反向输入端，将反馈信号接到该引脚形成闭环控制。将SG3525产生的PWM隔离驱动电路后波驱动Boost斩波电路中的开关器件IGBT，将直流输入电压升压至设定值输出。

3、硬件设计

3.1、主电路设计

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

缓冲电路由电容器组成C1、电阻RL、开关K1、K2组成的目的是为升压电路和后逆变电路提供相对恒定的直流电压，防止冲击电压和冲击电流损坏电源设备。K1.关闭，直流电源连接，输入侧滤波电容器上的电压为0V，冲击电压和冲击电流可能会损坏主功率电路。因此，在电源输入和滤波器之间接入限流电阻RL，将滤波器的充电电流限制在一定范围内。滤波电容器充电后，K2闭合，将限流电阻RL短接。限流电阻RL的取值为20kΨ。在上述过程中，K3是打开的。

大电容C1还可以过滤直流电压中的脉动成分。电阻R是系统停止工作后的大电容C提供放电电路，将K闭合，就可以了C1.提供放电电路。电阻R值为10kΨ。

3.1.2、电路参数计算及器件选型

(1)功率管

Boost电路输入平均电流为：

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)

最大峰值电流为：

IQP≈Iimax Io=12.8 1000/540=14.7(A)

考虑额定电压、电流裕度和组件成本IGBT模块IRGKIN050M12作为Boost电路的功率管规格为100A/1200V。

(2)二极管

最大电流值通过二极管

ID≈Iimax=12.8(A)

(3)设计升压电感

根据储能电感值的不同，电路可分为连续工作状态和不连续工作状态。

在连续、不连续的临界条件下工作的临界电感为：

L=Uo·TS·αmin(1-αmin)(1-αmin)/(2Uo)(1)

式中，Uo输出电压；TS工作周期；Io输出电流，αmin最小占空比。

已知Boost电路输入直流电压E变化范围为78～117V，输出直流电压Uo=540V，可推得占空比变化范围为：

开关管工作频率10kHz，则可得：

TS=1/fs=100μs(3)

输出电流范围为0.5～1.85A，由式(1)可得：

L≈1.99(mH)(4)

实际应用中Boost电路升压设计在连续模式工作范围内，因此升压电感应大于临界值L=3.5(mH)

(4)输出滤波电容的设计

在电感电流连续模式下，考虑滤波电容器内部寄生电阻和二极管电流ID所有的纹波电流都会流入电容器C，确保负载上的直流电流。在指定的纹波电压限制下，电容值C为：

由于电容在电感充电过程中独立为负载供电，因此由公式计算的电容值较小，应留有一定的余量，实际选择C=47μF。

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SG3525芯片主要由适当的电阻和电容组成。

图3 PWM波产生电路

3.3.2.隔离驱动电路的设计

IGBT的驱动方法常用有：直接驱动法、隔离驱动法和集成模块驱动电路。

EXB841适用于40个开关频率kHz以下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，电源简单，内置高速光耦合实现输入输出隔离，隔离电压可达AC2500V/min。同时，芯片内设有过电流保护电路，过电流保护后，故障信号由专用故障信号输出端发出。EXB841驱动IGBT如图4所示。

图4 EXB841驱动IGBT的电路图

3.2.3.采样和信号调节电路的设计

电压采样通常有两种方法：一种是分压电阻采样；另一种是电压采样霍尔。综合考虑，本文采用分压电阻采样。采样的输入电压为540V，因此，必须调整采样值。电压采样和信号调节电路如图5所示。

Boost电路输出电压为Us为：

Us=0.007659Uo-2.949

图5 电压采样和信号调理电路

当输出电压上下波动30时V，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

本系统设计了相对完整的保护电路和保护程序，主要包括以下部分：（1）输出过压保护电路；（2）输入过压和欠压保护电路；（3）IGBT短路保护电路；(4)温度保护电路。

4.模拟实验及分析

设计Boost使用电路本身的特性和性能MATLAB/Simulink软件对Boost如图6所示，电路构建了一系列模拟实验。

图6 Boost电路模拟模型

运行模拟模型，得到以下模拟波形，如图7所示。

图7 模拟波形的额定输入电压

由Boost可见电路仿真结果，Boost电路具有良好的波动输入电压调节功能；设计的缓冲电路和设备参数选择合理；所选功率设备可满足电路要求。

5、结语

本文总结了基础SG3525直流升压电源系统设计方案。主电路，PWM详细研究和设计了波生成电路、驱动电路和保护电路。最后，使用MATLAB/Simulink该软件对电路进行了模拟实验，实验结果证明，本文的设计方法是正确的。

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