基于SG3525的直流升压电源的设计与仿真

1、引言

在直流升压电路的设计中，Boost升压电路结构简单，可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。Boost电路只有一个开关管，克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高，不存在桥式电路共态导通等优点。

本文采用Boost斩波电路为直流升压电路的主电路，并以SG3525为控制核心设计了控制电路，其中包括完善的保护电路，以期当输入电压为DC78～117V时，输出可基本稳定在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

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

输出电压经采样及信号调理以后，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波经由隔离驱动电路后驱动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、主电路的设计

本系统主电路设计如图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C1、电阻RL、开关K1、K2组成，目的是为了给升压电路及后级的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对功率器件造成损坏。K1闭合，直流电源接通，起初输入侧滤波电容器上的电压为0V，接通瞬间产生的冲击电压和冲击电流可能对主功率电路造成损坏。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。当滤波电容器充电完毕后，K2闭合，将限流电阻RL短接。限流电阻RL的取值为20kΨ。在以上过程中，K3是打开的。

大电容C1也可起到滤波作用，滤去直流电压中的脉动成分。电阻R为系统停止工作后大电容C1提供放电回路，将K3闭合，即可为C1提供放电回路。电阻R取值为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，故输入电流最大值为：

Iimax=Po/Emin=1000/78=12.8（A）

功率管导通时最大峰值电流为：

IQP≈Iimax+Io=12.8+1000/540=14.7（A）

考虑额定电压、电流裕值和元器件成本，选择IGBT模块IRGKIN050M12作为Boost电路的功率管，其规格为100A/1200V。

（2）二极管

通过二极管的最大电流值

ID≈Iimax=12.8（A）

（3）升压电感的设计

根据储能电感取值的不同，电路可分为连续工作状态和不连续工作状态两种模式。

工作在连续、不连续临界情况下的临界电感为：

L=Uo·TS·αmin（1-αmin）（1-αmin）/（2Uo）（1）

式中，Uo为输出电压;TS为工作周期;Io为输出电流，αmin为最小占空比。

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：

开关管工作频率为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区间，故升压电感应大于临界值，取L=3.5（mH）

（4）输出滤波电容的设计

电感电流连续模式下，考虑滤波电容器有内部寄生电阻，同时考虑二极管电流ID的纹波电流会全部流进电容器C，以保证负载上得到平直的直流电流。在指定纹波电压限制下，需要电容值C为：

由于在电感充电期间，电容独立为负载供电，故由式计算出的电容值偏小，应留有一定裕量，实际中选择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波产生电路以SG3525芯片为主，外围搭配适当的电阻、电容等组成。

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适用于开关频率为40kHz以下的开关操作，可以用来驱动400A，600V或300A，1200V以下的功率IGBT。它采用单电源工作，供电简单，内置高速光耦实现输入、输出的隔离，隔离电压可达AC2500V/min。同时，芯片内部设有过电流保护电路，且过电流保护后在封锁自身输出的同时，由专门的故障信号输出端发出故障信号。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。