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。

　　
　　仿真

　　
　　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

　　
　　DC/DC升压

　　
　　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 释放的能量为单片机。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

　　
　　DC/DC升压 （1）

　　
　　化简得：

　　
　　单片机 （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

　　
　　仿真 （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

　　
　　单片机 （6）

　　
　　由式（5）即可得出电源电流为

　　
　　单片机 （7）

　　
　　2.2 电路参数计算及器件选型

　　
　　2.2.1　功率管

　　
　　由于负载

　　
　　单片机 （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

　　
　　仿真

　　
　　功率管导通时最大峰值电流为

　　
　　单片机

　　
　　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

　　
　　Matlab/Simulink （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

　　
　　仿真 （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

　　
　　基于单片机的升压电路设计与仿真 （12）

　　
　　式中： 为纹波电压，  = 10 V,且有

　　
　　Matlab/Simulink （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。

　　
　　Matlab/Simulink

　　
　　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。

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