基于单片机的DCDC升压电路设计与仿真.docx
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基于单片机的DCDC升压电路设计与仿真
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第21卷第5期2009年10月
军械工程学院学报JournalofOrdnanceEngineeringCollege
Vol21No5Oct2009.
文章编号:
1008-2956(2009)05-0055-05
基于单片机的DCDC升压电路设计与仿真
王川川,赵锦成,臧巨轮
(军械工程学院电气工程系,河北石家庄050003)
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/Siulink软件,对电路进行了仿真实验,实m验结果证明,该电路简洁有效,设计结果达到了预定的要求。
关键词:
单片机;DCDC升压;仿真;Matlab/Siulinkm中图分类号:
TM74文献标识码:
A
ADesignandSiulationofDCDCBoostingCircuitBasedonmSinglechipMicrocoputerm
WANGChuanchuanZHAOJinchengZANGJulun,,
(DepartentofElectricalEngineering,OrdnanceEngineeringCollegeShijiazhuangm,050003,China)
AbstractInthispapertheprincipleoftheBoostcircuitisintroducedandthewholedesignscheeof:
mtheBoostcircuitispresentedThispaperfocusesonthehardwareofthecircui,andalsoprescribesthe.tfunctionofthesoftwareTheflowchartofthesoftwareisalsodesignedIntheendthesiulationofthe..,mcircuitiscarriedoutthroughbyMatlab/SiulinkThesiulationprovesthatthedesignmethodisrigh,m.mtthecircuitisconciseandefficientandtheresultsmeetthepresetdesignrequireents.mKeywordssinglechipmicrocomputerDCDCBoostcircui;siulationMatlab/Siulink:
;tm;m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DCDC升压电路,它的功能是将DC96V(蓄电池组合)升压为DC540V供给DCAC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DC78V~108V时,输出可基本稳定在DC540V。
在DCDC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。
笔者介绍一种Boost升压电路的设计方法,并用Matlab/Siulink对电路进行仿真,以检验设计方m法是否正确及电路能否达到预定目的。
[1-2]
系统设计框图如图1所示,输入为DC96V,目的是升压至DC540V后输出。
1设计方案
收稿日期:
20090325修回日期:
20090515;作者简介:
王川川(1985),男,硕士研究生.
图1系统设计框图
输出电压经采样及信号调理以后,送至
56
军械工程学院学报
2009
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PI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DCDC升压系统设计的保护电路,可以构成完善的保护功能。
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EIi=UoIo,(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Io=Uo1EI=。
RRoUo1EIo=2。
ER
[4-5]
2硬件设计
21Boost电路升压原理简介
[3]
(6)
由式(5)即可得出电源电流Ii为Ii=(7)
Boost电路原理如图2所示。
22电路参数计算及器件选型221功率管由于负载UoR=,PoPo,E
2
(8)
结合式(3)和式(7),得Boost电路输入平均电流为
图2Boost电路原理图
Ii=
(9)
输出功率为2k故输入电流最大值为W,设开关管V处于通态的时间为ton,此阶段电感L上积蓄的能量为EIiton。
设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E)Iitoff。
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EIiton=(Uo-E)Iitoff,化简得:
Uo=式
(2)中的Ttoffton+toffTE=E。
tofftoff
(2)
(1)Iimax=Po2000==2564(A)。
Emin78
功率管导通时最大峰值电流为IQP!
Iimax+Io=2564+2000!
2934(A)。
540考虑额定电压、电流裕值和元器件成本,选择IBT模块IRGKI05012作为Boost电路的功率器GNM件,其规格为100A/1200V。
222二极管通过二极管的最大电流值为Id!
Iimax=2564A。
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RM200HA24F,其规格为200A/1200V。
223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L=Uo?
TS2Io
min
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T表示升压比,调节其大小,即可改变toff
输出电压Uo的大小。
将升压比的倒数记作,即toff=,则T和导通占空比+因此,式
(2)可表示为Uo=1E=1E。
1(4)有如下关系:
=1,(3)
(1-
min
),
2
(10)
式中:
Uo为输出电压;TS为工作周期;Io为输出电
第5期
王川川等:
基于单片机的DCDC升压电路设计与仿真
57
流;
为最小占空比。
已知Boost电路输入直流电压E变化范围为78
min
的IBT。
它采用单电源工作,供电简单,内置高速G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
[6]
V~108V,输出直流电压Uo=540V,可推得占空比变化范围为
max
。
=1-
Emin=08556Uo
EXB841驱动IGBT的电路图如图3所示。
。
(11)
min
Emax=1=080Uo1=100fs
开关管工作频率为10kz则可得H,TS=s。
(12)
输出电流范围为05A~392A,由式(10)计算可得L=173mH。
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=35mH。
224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C=
min
图3EXB841驱动IGBT的电路图
233
采样及信号调理电路的设计
[7]
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0~5V,故须对采样值进行调理。
电压采样及信号调理电路如图4所示。
TS?
Uo=R?
!
Uo
min
TS?
Io,!
Uo
(13)
式中:
!
Uo为纹波电压,!
Uo=10V,且有08556#C=12000#10#1000540!
3169(F)。
10
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50F,耐压为900V,它可用2个容值为100F,耐压为450V的电容串联实现。
23控制电路设计231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1T8051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。
232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IBT模块。
集G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40kHz以下的开关操作,可以用来驱动400A,600V或300A,1200VBoost电路输出电压为Uo,那么采样输出电压值为Us=0007659Uo-2949。
当输出电压上下波动达30V时,即510V?
Uo?
570V,可得Us的范围为096V?
Us?
142V。
234保护电路的设计直流电源中的功率器件IBT是系统的主要部G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IBT的保护工作显得十分重要。
该系统中具有较G为完备的保护电路及保护程序,保护电路主要有以
图4电压采样及信号调理电路
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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
31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IBT。
G3)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。
32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。
41仿真实验为验证以上参数设置及电路设计的正确性,用Matlab/Siulink软件中的SiPowerSystems模块对mm电路进行仿真,得到Boost电路仿真模型如图6所[8]示。
图5主程序流程图
4仿真实验及分析
图6
Boost电路仿真模型
仿真参数设置如下:
1)电路的输入采用直流电压源。
2)开关器件为IBT。
G3)升压电感L=35mH,滤波电容C=50F,电阻R2=20k?
电容C1=50000F,额定负载R=146?
。
4)开关K1初始时闭合,在01s处打开;开关K2初始时断开,在01s处闭合。
5)控制电路主要参数设置:
PID控制器参数设置:
P=002I=5,D=0Relay模块参数设置:
;
Switchonpoin:
t1Switchoffpoin:
-1outputwhen,t,on1outputwhenof:
-1Gain参数设置为001:
f;。
6)仿真算法选择ode23仿真时间设为025s,。
仿真一:
输入电压E=96V,得到仿真波形如图7所示。
仿真二:
当输入为E=96V时,电压调整率的仿真实验如表1所示。
42结果分析从仿真结果可以看到,输出电压和电流波形平稳,波动较小;在负载变化时,输出电压调整率较小。
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仿真结果表明,笔者的设计方法是正确的,Boost电路自身的调节作用的稳定性和准确性较好。
从仿真电路中还可测得流过IBT、G二极管的电流和电压,以及输出电压和电流的谐波含量。
5结束语
笔者对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/Siulink软件,对电路进行了仿真实验,实验结果m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:
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223229.,(责任编辑:
韩红艳)
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