直流斬波電路性能的研究

1、XXXXXX大學(xué)（XX學(xué)院）電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告 系 、 部 xxxx 學(xué)科 、專業(yè) 電氣工程及其機(jī)動(dòng)化 姓 名 年 級(jí) 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 斬波器的綜述,參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算 日 期 20年 月 日 一、綜述：直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)楣潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter）。目前比較基本的和較為常用的直流斬波電路有以下幾種：一） 降壓斬波電路（Buck Chopper）1、電路圖如下：2、降壓斬波電路原理：在t=0時(shí)驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流

2、經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L值較大的電感。只一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過(guò)程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等Uo的值與占空比（alpha）成正比。3、典型應(yīng)用：拖動(dòng)直流電機(jī)，帶蓄電池負(fù)載二） 升壓斬波電路（Boost Chopper）1、電路圖如下： 2、升壓斬波電路的原理：假設(shè)電路中電感L很大，電容C很大。當(dāng)V導(dǎo)通，電源E向L充電，充電電流基本恒定位為I1，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，由于C值很大，基本保持輸出電壓uo位恒值，記為Uo。當(dāng)V關(guān)斷的時(shí)候電源與電感L同時(shí)對(duì)電容C充電

3、，并且向負(fù)載R提供能量。當(dāng)電路工作穩(wěn)定時(shí)，有如下方程：Uo=(ton+toff)E/toff=TE/toff由上式可知，輸出電壓高于電源電壓。3、典型應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，單項(xiàng)功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，用于其他交直流電源中三）升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）1、電路圖如下： 2、升降壓斬波電路原理：假設(shè)電感L很大，電容C很大，致使電感電流iL和電容典雅即負(fù)載電壓uo基本為恒值。V導(dǎo)通，L充電，有電流i1。同時(shí)有電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。V關(guān)斷，電感L向負(fù)載提供其所儲(chǔ)存的能量，此時(shí)有電流i2?？梢?jiàn)負(fù)載電壓極性與

4、電源電壓極性相反，故此電路又稱為反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓有：Uo=1-E由此知：0<alpha<1/2時(shí)為降壓，1/2<alpha<1時(shí)為升壓。四）庫(kù)克（Cuk）斬波電路1、電路圖如下： 2、庫(kù)克斬波電路原理：V導(dǎo)通：EL1V回路和RL2CV回路分別有電流。V關(guān)斷：EL1CVD回路和RL2VD回路分別有電流。原理與升壓斬波電路相同。3、相對(duì)于升壓斬波電路的優(yōu)點(diǎn)：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)較小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波、五）Sepic斬波電路和Zeta斬波電路1、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖： Sepic Zeta2、Sepic

5、斬波電路原理：V導(dǎo)通，EL1V回路與C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2儲(chǔ)能。V關(guān)斷，EL1C1VD負(fù)載（C2和R）回路及L2VD負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電，C1貯存的能量在V導(dǎo)通時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。3、Zeta斬波電路原理：V導(dǎo)通，電源E經(jīng)開(kāi)關(guān)V向電感L1貯能。同時(shí)，E和C1共同向負(fù)載R供電，并向C2充電。V關(guān)斷后，L1經(jīng)VD向C1充電，其貯存的能量轉(zhuǎn)移至C1。同時(shí)C2向負(fù)載供電，L2的電流則經(jīng)VD續(xù)流。此外，還可將升壓斬波電路和降壓斬波電路組合，即可構(gòu)成復(fù)合斬波電路。如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路，多想多重?cái)夭娐返?。二、?shí)驗(yàn)：一）對(duì)升壓斬波電路性能的研究

6、電路圖如下： 在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的波形如下： 相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表一：序號(hào)Uo(V)Ui(V)alphaT(s)125.714.741%6022914.747.5%6033314.753.6%6043714.758.56%6254014.761.61%62645.314.766.24%62749.814.769.08%62852.614.771.1%62955.114.772.65%62表 一根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形與數(shù)據(jù)，可分析PWM的工作原理。一） PWM的工作原理：1） 什么是PWM？PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)節(jié)技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的

7、波形（含形狀和幅值）。2） PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型的。3） PWM的工作原理：I 理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上式，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。II 面積等效原理：分別將圖1所示的電壓窄脈沖加在一節(jié)慣性環(huán)節(jié)上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。圖如下：從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降斷則幾乎完全相同。脈脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異越小。如果周期性的施加上脈

8、沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，個(gè)i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重點(diǎn)，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM的。更要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。III PWM原理： 脈沖寬度調(diào)制波通常有一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖4所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為T

9、s的鋸齒波發(fā)生器組成。語(yǔ)音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖4中可以看出，筆記哦啊器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。圖4 脈沖寬度調(diào)制過(guò)程（a） 調(diào)制原理圖 （b）調(diào)制波形圖通過(guò)圖4b的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于下降沿時(shí)刻tk時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)幅度值。因而，采樣值之間的時(shí)間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中tk-kTs<<Ts的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個(gè)矩形脈沖可以表示為：k=01+mx(kTs) （1）其中，xt是離散化的語(yǔ)音信號(hào)；Ts是采樣

10、周期；o是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)。 然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t=kTs處，k在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波Xp（t）可以表示為： Xp（t）ATo1+mx(t)/To+x-12Ansinn()cosnt （2）其中，(t)= o1+mx(t)/Tk。無(wú)需作頻譜分析，由式（2）可以看出脈沖寬度信號(hào)有語(yǔ)音信號(hào)x（t）加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)o<<Ts是，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過(guò)低通濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)。三）PWM控制芯片SG3525(A)I 芯片簡(jiǎn)介：SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控

11、制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。II SG3525原理圖：III SG3525外部引腳圖及引腳功能：1、 Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2、Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)

12、系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。3、 Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。4、 OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5、 CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。6、 RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。7、 Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。8、 Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動(dòng)電容。9、 Compensation(

13、引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10、 Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。11、 Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。12、 Ground(引腳12)：信號(hào)地。13、 Vc(引腳13)：輸出級(jí)偏置電壓接入端。14、 Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。15、 Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16、 Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該

14、端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。17、 Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。18、 OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。19、 CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。20、 RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。21、 Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。22、 Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動(dòng)電容。23、 Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例

15、積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。24、 Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。25、 Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。26、 Ground(引腳12)：信號(hào)地。27、 Vc(引腳13)：輸出級(jí)偏置電壓接入端。28、 Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。29、 Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。30、 Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。IV SG3525工作原理：SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)

16、電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。 SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5 的軟啟動(dòng)電容。上電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使

17、之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開(kāi)始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如

18、果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過(guò)低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。四）繪制的關(guān)系曲線：繪制方法：利用MATLAB進(jìn)行曲線擬合，將數(shù)據(jù)輸入MATLAB，利用MATLAB的擬合功能將的關(guān)系曲線仿真出來(lái)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表一，輸入的程序見(jiàn)下圖：注：由于方便，將數(shù)據(jù)均乘以100經(jīng)過(guò)MATLAB仿真出來(lái)的的關(guān)系曲線見(jiàn)下圖：將所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)代入公式，Ui/U0=1/（1-alpha），結(jié)果基本符合，證明所擬合的曲線是該公式的曲線，也確實(shí)真實(shí)的反映了Ui/U0與alpha的關(guān)系。三、參數(shù)計(jì)算：【問(wèn)題】設(shè)計(jì)直流升壓型斬波器，電源電壓200V，輸出電壓，電阻負(fù)載為10。試計(jì)算維持負(fù)載電流連續(xù)的電感最小值，并選擇斬波管的電壓電流參數(shù)。解決此問(wèn)題的方法有兩種，依據(jù)公式計(jì)算或利用MATLAB中的SIMULINK建立模型進(jìn)行仿真尋取，在此利用第二種方法。在MATLAB中繪制電路圖，電