|
|
|
|
|
|
访问总数：17923 人次 |
 |
|
| |
|
|
 本刊论文 |
| 基于单片机的升压电路设计与仿真 |
| 作者：刘毅 王聪 时间：2016/10/24 点击：859 |
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。2.3 控制电路设计
2.3.1 控制芯片的选择
STC12C5410AD单片机是深圳宏晶生产的一种单片机,是宏晶1T 8051 单片机。该型单片机有4路PWM输出、8路10位A /D转换,能满足该电路
的需要。
2.3.2 隔离驱动电路的设计
IGBT的驱动方法常用的有:直接驱动法、隔离驱动法和集成模块驱动电路。该逆变电源采用EXB系列集成模块EXB841来驱动IGBT模块。集
成模块驱动电路与分立元件的驱动电路相比,有体积小、效率高、可靠性高的优点。EXB841适用于开关频率为40 kHz以下的开关操作,可以用来驱动400A, 600V或300A,1200 V的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。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。
2.3.3 采样及信号调理电路的设计
对电压采样通常有2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,笔者采用分压电阻进行采样。由于STC12C5410AD单片机进行A /D转换的输入电压范围为0～5 V,故须
对采样值进行调理。采样输出电压值为Us = 0.007 659Uo–2.949。当输出电压上下波动达30 V时,即510 V≤ ≤570 V,可得Us 的范围为0.96 V≤Us ≤1.42 V。
2.3.4 保护电路的设计
直流电源中的功率器件IGBT是系统的主要部件,也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态,所以也是最容易损坏的部件。因此IGBT的保护工作显得十分重要。该系统中具有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。
3 软件设计
3.1 软件主要实现的功能
根据该电路的需求,软件设计主要实现的功能设定如下:
1)完成整个系统的初始化。
2)产生PWM波,以驱动IGBT。
3)检测有无电压输出以及输出电压值的大小,完成A /D转换模块的初始化及A /D的转换,根据输出电压值的大小调整PWM波占空比。
4) PI控制算法的实现,使输出电压得到闭环控制。
3.2 主程序流程图
根据软件所要实现的功能,设计软件的主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程图
4 结束语
本文对Boost电路升压原理进行了简要的介绍,并设计了电路的硬件,同时对软件所要实现的功能进行了设定,给出了软件设计流程图。最后运用Matlab /Simulink软件,对电路进行了仿真实验,实验结果证明,该设计方法正确,设计结果能达到预定的要求。
参考文献:
[1] 刘长万,王儒,方宇. 应用于UPS的3kW Boost电路研究[J]. 电子工程师,
2008,34(2):34-123.
[2] 高微,单清林,朱英. 基于UC3842控制芯片的Boost变换器的设计[J]. 大庆
石油学院学报, 2008,32(3):45-135.
[3] 王兆安,黄俊. 电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社.2003.
[4] 李敏. 列车DC600V三相逆变电源研究[D]. 成都:西南交通大学, 2007.
[5] 张哲. 地铁紧急通风变频器的研究[M]. 南京:南京理工大学, 2008.
[6] 曲学基,曲敬铠,于明扬. 逆变技术基础与应用[M]. 北京:电子工业出版社,
1995.
[7] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真[M].北京:机械工业
版社，2006.
|
|
|
|
|
