摘要:介绍了Boost电路升压原理,给出了Boost电路完整的设计方案,重点讨论了硬件电路的设计,对软件所要实现的功能进行了设定,并设计了软件的流程图。最后用Matlab/Simulink 软件,对电路进行了仿真实验,实验结果证明,该电路简洁有效,设计结果达到了预定的要求。
论文关键词：单片机,DC/DC升压,仿真,Matlab/Simulink
Key words: single-chip microcomputer; DC/DC Boost circuit; simulation; Matlab /Simulink
在设计三相逆变电源时,需要在直流电源和逆变电路之间加DC／DC 升压电路, 它的功能是将DC96 V (蓄电池组合)升压为DC540 V 供给DC／AC变换电路。考虑实际使用时供电电源可能出现波动,要求输入电压为DC78 V～108 V 时,输出可基本稳定在DC540 V。在DC/DC斩波电路中, Boost升压电路结构简单,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 。介绍一种Boost升压电路的设计方法,并用Matlab /Simulink对电路进行仿真,以检验设计方法是否正确及电路能否达到预定目的。
1 设计方案
系统设计框图如图1所示,输入为DC96 V,目的是升压至DC540 V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STC12C5410AD单片机,由于STC12C5410AD 单片机具有8 通道10 位和取样保持电路的A /D 转换
器,且有输出PWM驱动信号的功能,能满足该电路的需要,故不需另外设计A /D转换电路及PWM驱动信号产生电路。通过调用P I算法计算调整下次传送的控制信号,形成反馈回路,实现宽电压输入、稳压输出的功能。利用单片机丰富的I/O口和A /D转换通道,结合针对DC2DC升压系统设计的保护电路,可以构成完善的保护功能。
2 硬件设计
2.1 Boost电路升压原理简介
Boost电路原理如图2所示
图2 Boost电路原理图
设开关管V处于通态的时间为 ,此阶段电感L 上积蓄的能量为 。设V 处于断态的时间为 ,则在此期间电感L 释放的能量为 。当电路工作于稳态时, 1个周期T中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等,即
 （1）
化简得：
 （2）
式(2)中的 ≥1, 输出电压高于电源电压, 故称该电路为升压斩波电路。直接采用其英文名称,称为Boost变换器。式(2)中 表示升压比,调节其大小,即可改变输出电压 的大小。将升压比的倒数记作β, 即β 输出电压高于电源电压, 故称该电路为升压斩波电路。直接采用其英文名称,称为Boost变换器。式(2) 中表示升压比,调节其大小,即可改变输出电压 的大小。将升压比的倒数记作β, 即β=,则β和导通占空比α有如下关系:
α＋β = 1, (3)
因此,式(2)可表示为
 (4)
升压斩波电路能使输出电压高于电源电压, 关键有2个原因:一是L 储能之后具有使电压泵升的作用,二是电容C可将电压保持。如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载R 消耗,即
 =  (5)
式(5)表明,升压斩波电路也可看成直流变压器。
根据电路结构并结合式(4) , 得出输出电流的
平均值Io 为
 (6)
由式(5)即可得出电源电流 为
 (7)
2.2 电路参数计算及器件选型
2.2.1 功率管
由于负载
 (8)
结合式(3)和式(7) ,得Boost电路输入平均电流为
 (9)
输出功率为2 kW,故输入电流最大值为
功率管导通时最大峰值电流为
考虑额定电压、电流裕值和元器件成本, 选择IGBT模IRGKIN050M12作为Boost电路的功率器件,其规格为100 A/1 200 V。
2.2.2 二极管
通过二极管的最大电流值为 ≈ = 25164A。
考虑额定电压、电流裕值和元器件成本,选择三菱公司的二极管模块RM200HA224F,其规格为200A /1 200 V。
2.2.3 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。工作在连续、不连续临界情况下的临界电感为
 (10)
已知Boost电路输入直流电压E变化范围为78V～108 V,输出直流电压  = 540 V,开关管工作频率为10 kHz,则可得
 (11)
输出电流范围为015 A～3192 A, 由式(10)计算可得L = 1.73 mH。
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。
2.2.4 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,需要电容值为
 (12)
式中: 为纹波电压, = 10 V,且有
 (13) 由于在电感充电期间,电容独立为负载供电,故由式(13)计算出的电容值偏小,实际中选择C的容值为50μF,耐压为900 V, 它可用2个容值为100μF,耐压为450 V的电容串联实现。
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