直流斩波电路的性能研究
苏宪臣
(08级、自动化2班、200801071503)
摘要:直流-直流变流电路(DC/DC Converter)包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路(DC Chopper)。功能是将直流电变为另一种固定电压或可调电压的直流电,一般是指直接将直流电变为另一直流电,这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路,在直流变流电路中增加了交流环节。在交流环节通常采用变压器实现输入输出之间的隔离,因此也称为直一交一直电路。
关键词:DC/DC转换,降压斩波,升压斩波,MATLAB仿真。
0引言:
本文主要研究升压斩波电路和降压斩波电路的结构和工作原理,研究斩波电路的性能提升方法,通过对斩波电路的基本原理的研究,从中发现提升性能的方法。DC/DC变换试讲固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有:脉宽调制方式(Ts不变,改变ton)和频率调制方式(ton不变,改变Ts)两种。
1基本斩波电路
1.1降压斩波电路(Buck Chopper)
1)电路分析
(1)使用一个全控型器件V,图中为IGBT,若采用晶闸管,需设置使晶闸管关断的辅助电路。
(2)设置了续流二极管VD,在V关断时给负载中电感电流提供通道。
(3)主要用于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等,后两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中Em所示。
基本的数量关系
电流连续时
负载电压的平均值为
负载电流平均值为
1.2升压斩波电路
1)工作原理
(1) 假设L和C值很大。
(2)V处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。
(3)V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
2)基本的数量关系
当电路工作于稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即
1.3升降压斩波电路
1)工作原理
(1)V导通时,电源E经V向L供电使其贮能,此时电流为i1,同时C维持输出电压恒定并向负载R供电。
(2) V关断时,L的能量向负载释放,电流为i2,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性斩波电路。
1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
1)Sepic斩波电路
工作原理
(1) V导通时,E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电,L1和L2贮能。
(2) V关断时,E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电,此阶段E和L1既向负载供电,同时也向C1充电(C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移)。
2)Zeta斩波电路
工作原理
(1) V导通时,电源E经开关V向电感L1贮能。
(2) V关断时,L1-VD-C1构成振荡回路, L1的能量转移至C1,能量全部转移至C1上之后,VD关断,C1经L2向负载供电。
2复合斩波电路和多相多重斩波电路
2.1 电流可逆斩波电路
1)电路结构
(1) V1和VD1构成降压斩波电路,电动机为电动运行,工作于第1象限。
(2)V2和VD2构成升压斩波电路,电动机作再生制动运行,工作于第2象限。
(3)必须防止V1和V2同时导通而导致电源短路。
2)工作过程
(1) 两种工作情况:只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。
(2)第3种工作方式:一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。
(3) 3种工作方式下,当一种斩波电路电流断续而为零时,使另一个斩波电路工作,让电流反方向流过,这样电动机电枢回路总有电流流过。
2.2 桥式可逆斩波电路
1)将两个电流可逆斩波电路组合起来,分别向电动机提供正向和反向电压,使电动机可以4象限运行。
2) 工作过程
(1)V4导通时,等效为图5-7a所示的电流可逆斩波电路,提供正电压,可使电动机工作于第1、2象限。
(2)V2导通时,V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路,向电动机提供负电压,可使电动机工作于第3、4象限。
2.3 多相多重斩波电路
1)是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。
2) 相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。
3)重数:负载电流脉波数。
3相3重降压斩波电路
4) 电路及波形分析
(1)相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。
(2) 总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和,其平均值为单元输出电流平均值的3倍,脉动频率也为3倍。
(3)总输出电流最大脉动率(电流脉动幅值与电流平均值之比)与相数的平方成反比,其总的输出电流脉动幅值变得很小,所需平波电抗器总重量大为减轻。
3仿真实验
3.1仿真模型及参数
(1)由IGBT构成直流斩波电路的建模及参数设置,E=100,负载R=1欧,脉冲高度5,L=OH,C=inf.
(2)直流降压斩波电路的仿真
打开仿真参数窗口,选择ode23t b算法相对误差设置为1e-03,开始仿真时间设置为零,停止仿真时间设置为0.01s,控制脉冲周期设置为0.005s(频率为200Hz),控制脉冲占空比为50%。参数设置完毕后,启动仿真,得到下图仿真结果。
控制脉冲周期设置为0.01S(频率为100Hz),控制脉冲占空比为50%。参数设置完毕后启动仿真得到下图
控制脉冲周期设置为0.01S(频率100Hz,占空比为30%。参数设置完毕启动仿真得到下图仿真结果。
4结束语
通过以上的仿真过程分析,可以得到下列结论:
(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件,通过控制主电路的接通与断开,将恒定的直流斩成断续的方波,经滤波后变为电压可调的的直流输出电压。利用Simulink对降压斩波电路和升压斩波电路的仿真结果进行了详细分析,与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。
(2)采用Matlab/Simulink对直流斩波电路进行分析,避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程,得到了一种较为直观,快捷分析斩波电路的新方法。同时其建模方法也适用于其他斩波电路的方针,只需要对电路结构稍作改变即可实现,因此实用性较强。
(3) 应用Matlab/Simulink进行仿真,在仿真过程中可以灵活的改变仿真参数,并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。
[参考文献]
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[3] 周渊深.电力电子与Matlab仿真[M].北京:中国电力出版社,2004.
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[5] 杨一军,王欣.Matlab在负反馈放大电路分析中的应用[J].现在电子技术,2008,31(13):1442146..
实验三 直流斩波电路的性能研究
一、实验目的
(1)熟悉直流斩波电路的工作原理。
(2)熟悉各种直流斩波电路的组成及其工作特点,重点掌握降压斩波电路(Buck Chopper)和升压斩波电路(Boost Chopper)。
(3)了解PWM控制与驱动电路的原理及其常用的集成芯片。
二、实验所需挂件及附件
三、实验线路及原理
1、主电路
①、降压斩波电路(Buck Chopper)
降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图4-12所示。图中V为全控型器件,选用IGBT。D为续流二极管。由图4-12b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向负载供电,UD=Ui。当V处于断态时,负载电流经二极管D续流,电压UD近似为零,至一个周期T结束,再驱动V导通,重复上一周期的过程。负载电压的平均值为:
(a)电路图 (b)波形图
图4-12 降压斩波电路的原理图及波形
②、升压斩波电路(Boost Chopper)
升压斩波电路(Boost Chopper)的原理图及工作波形如图4-13所示。电路也使用一个全控型器件V。由图4-13b中V的栅极电压波形UGE可知,当V处于通态时,电源Ui向电感L1充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电,因C1值很大,基本保持输出电压UO为恒值。设V处于通态的时间为ton,此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电,并向负载提供能量。设V处于断态的时间为toff,则在此期间电感L1释放的能量为(UO-Ui) I1ton。当电路工作于稳态时,一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等,即:
UiI1ton=(UO-Ui) I1toff
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。
(a)电路图 (b)波形图
图4-13 升压斩波电路的原理图及波形
③、升降压斩波电路(Boost-Buck Chopper)
④、Cuk斩波电路
⑤、Sepic斩波电路
⑥、Zeta斩波电路
2、控制与驱动电路
控制电路以SG3525为核心构成,SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路,它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小,在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差、占空比可调的矩形波(即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。详细的工作原理与性能指标可参阅相关的资料。
四、实验内容
(1)控制与驱动电路的测试
(2)两种直流斩波器的测试
五、思考题
(1)直流斩波电路的工作原理是什么?有哪些结构形式和主要元器件?
(2)为什么在主电路工作时不能用示波器的双踪探头同时对两处波形进行观测?
六、实验方法
1、控制与驱动电路的测试
(1)启动实验装置电源,开启控制电路电源开关。
(2)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,用双踪示波器分别观测SG3525的第11脚与第14脚的波形,观测输出PWM信号的变化情况,
2、直流斩波器的测试(使用一个探头观测波形)
斩波电路的输入直流电压Ui由三相调压器输出的单相交流电经挂箱上的单相桥式整流及电容滤波后得到。接通交流电源,观测Ui波形,记录其平均值(注:本装置限定直流输出最大值为50V,输入交流电压的大小由调压器调节输出)。
按下列实验步骤依次对两种典型的直流斩波电路进行测试。
(1)切断电源,根据设备上的主电路图,利用面板上的元器件连接好相应的斩波实验线路,并接上电阻负载,负载电流最大值限制在200mA以内。(图中的R负载用三相可调电阻,将两个900Ω接成串联形式。)将控制与驱动电路的输出“V-G”、“V-E”分别接至V的G和E端。
(2)检查接线正确,尤其是电解电容的极性是否接反后,接通主电路和控制电路的电源。
(3)用示波器观测PWM信号的波形、UGE的电压波形、UCE的电压波形及输出电压Uo和二极管两端电压UD的波形,注意各波形间的相位关系。
(4)调节PWM脉宽调节电位器改变Ur,观测在不同占空比(α)时,记录Ui、UO和α的数值于下表中,从而画出UO=f(α)的关系曲线。
七、实验报告
(1)整理各组实验数据绘制各直流斩波电路的Ui/UO-α曲线,并作比较与分析。
(2)讨论、分析实验中出现的各种现象。
八、注意事项
(1)在主电路通电后,不能用示波器的两个探头同时观测主电路元器件之间的波形,否则会造成短路。
(2)用示波器两探头同时观测两处波形时,要注意共地问题,否则会造成短路,在观测高压时应衰减10倍,在做直流斩波器测试实验时,最好使用一个探头。
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