《電力電子技術(shù)（第二版） 》 課件 項目七 直流斬波電路-調(diào)試開關(guān)電源電路

項目七

直流斬波電路—調(diào)試開關(guān)電源電路【學習目標】知識目標（1）能說出電力晶體管工作原理及伏安特性。（2）能說出電力晶體管的驅(qū)動電路特點。能力目標（1）能說出降壓式斬波電路工作原理并計算其輸出電壓。（2）能說出升壓式斬波電路工作原理并計算其輸出電壓。（3）會用MATLAB搭建直流斬波電路仿真模型并分析不同直流斬波電路的工作特性。素養(yǎng)目標（1）培養(yǎng)仔細分析，解決問題的能力。（2）培養(yǎng)團結(jié)合作，有效溝通的能力?！卷椖恳搿?/p>

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式，如圖7-1所示為應用于通信行業(yè)高頻開關(guān)電源及直流變換器。圖7-1通信專用直流開關(guān)電源任務7.1認識電力晶體管（GTR）7.1.1了解GTR工作原理1電力晶體管的結(jié)構(gòu)GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似，GTR通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。單管的GTR結(jié)構(gòu)與普通的雙極結(jié)型晶體管是類似的，由三層半導體、兩個PN結(jié)組成。圖7-2GTR的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖、電氣圖形符號2.單管GTR的基本工作原理圖7-2所示的共發(fā)射極的單管NPN電路晶體管電路中，基極電流ib、集電極電極電流ic與發(fā)射極電流ie三者滿足下式的關(guān)系：

稱為電流傳輸比，它是共基極接法時的電流放大系數(shù)，在共發(fā)射極應用中基極電流與發(fā)射極電流之比非常重要，即。β值定義為集電極電流與基極電流的放大系數(shù)。若α接近于1，說明傳輸效率很高，則β值很大。作為開關(guān)應用時，其直流增益通?？梢哉J為,對于單管GTR來說，受其結(jié)構(gòu)特點的限制，電流增益較低，約為0～20倍。

3達林頓GTR及GTR模塊1）達林頓GTR結(jié)構(gòu)單個GTR管的電流增益低，將給基極驅(qū)動電路造成負擔。由兩個或者多個晶體管可以按照達林頓結(jié)構(gòu)復合而成達林頓GTR，可以提高電流增益。2）GTR模塊

作為大功率開關(guān)應用最多的還是GTR模塊，它是將GTR管芯，穩(wěn)定電阻、續(xù)流二極管等組裝成一個單元，然后根據(jù)不同用途將幾個單元電路組裝在一個外殼之內(nèi)構(gòu)成模塊，現(xiàn)已可將上述單元電路集成制作在同一硅片上，使其小型化、輕量化。7.1.2了解GTR基本特性及主要參數(shù)1.基本特性1)靜態(tài)特性圖7-4給出了GTR在共發(fā)射極的典型輸出特性，即分為截止區(qū)、放大區(qū)、準飽和區(qū)以及飽和區(qū)四個區(qū)域。截止區(qū)：在截止區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏。

放大區(qū)：在放大區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，此時集電極電流與基極電流呈線性關(guān)系。準飽和區(qū)（臨界飽和區(qū)）：在準飽和區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，此時集電極電流與基極電流不是線性關(guān)系。飽和區(qū)：在飽和區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏。圖7-4共發(fā)射極接法時GTR輸出特性2)動態(tài)特性GTR的動態(tài)特性主要指開關(guān)特性。GTR是用基極電流來控制集電極電流的，圖7-5所示為GTR開通和關(guān)斷過程中基極電流和集電極電流波形的關(guān)系。圖7-5GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形2.GTR的主要參數(shù)1)最高工作電壓最高工作電壓指最高集電極電壓額定值，GTR上所加的最高工作電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。2)最大即允許流過最大電流值，一般以電流放大倍數(shù)β值下降到額定值的的1/2至1/3時，所對應的電流額定值.3)最大耗散功率最大耗散功率額定值指GTR在最高允許結(jié)溫時多對應的耗散功率，它受結(jié)溫的限制。7.1.3了解GTR驅(qū)動電路1.對基極驅(qū)動電路的基本要求理想的GTR基極驅(qū)動電流波形如圖7-8所示。對GTR基極驅(qū)動電路的要求一般有：1）控制GTR開通時，驅(qū)動電流G前沿要陡，并由一定的過沖電流，以縮短開通時間，減小開關(guān)損耗。2）GTR導通后，應相應減小驅(qū)動電流，使期間處于臨界飽和狀態(tài)，以降低驅(qū)動功率?？s短儲存時間。3）GTR關(guān)斷時，應提供足夠大的反向基極電流，以縮短關(guān)斷時間，減小損耗。4）應能實現(xiàn)主電路與控制電路之間的電氣隔離，以保證安全，提高抗干擾能力。5）具有一定保護功能。圖7-8理想的GTR基極驅(qū)動電流波形2.基極驅(qū)動實例圖7-9是具有負偏壓、抗飽和的GTR驅(qū)動電流，其特點是簡單實用，但沒有GTR的保護功能。圖7-9典型GTR光耦合驅(qū)動電路任務7.2認識直流斬波電路及原理7.2.1斬波電路基本原理

直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。這兩種電路應用最廣泛，理解這兩種基本電路是理解其他電路的基礎。1.斬波電路分析最基本的斬波電路如圖7-10(a)所示，電阻R為斬波器的負載，V為斬波開關(guān)。將開關(guān)V合上，其閉合持續(xù)時間為ton，此時電阻R上的電壓為直流電壓E；當開關(guān)關(guān)斷，其閉合持續(xù)時間為toff，此時負載上的電壓為零。將T=ton+toff為斬波器的工作周期，開關(guān)V在每個周期內(nèi)按照此規(guī)律開閉，則可以得到斬波器的輸出波形如圖7-10(b)所示。將斬波器的占空比k=ton/T，由波形圖上可獲得輸出電壓平均值為：

7-10基本的斬波電路及波形2.斬波器工作方式根據(jù)改變占空比的方式不同，斬波電路有三種控制方式：1）脈寬調(diào)制工作方式：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間，稱為脈寬調(diào)制工作方式或脈沖寬型。2）頻率調(diào)制工作方式：保持開關(guān)導通時間不變，改變開關(guān)周期T，稱為平率調(diào)制或者調(diào)頻型。3）混合型開通時間和關(guān)斷時間都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。7.2.2認識降壓式斬波電路及原理1.降壓斬波電路全控器件斬波開關(guān)管V在控制信號的作用下開通與關(guān)斷。開通時，二極管截止，電流流過大電感L，電源給電感充電，同時為負載供電。而V截止時，電感L開始放電為負載供電，二極管VD導通，形成回路。V以這種方式不斷重復開通和關(guān)斷，若電感L足夠大，使得負載電流連續(xù)，而電壓斷續(xù)。從總體上看，輸出電壓的平均值減小了。輸出電壓與輸入電壓之比由控制信號的占空比來決定。圖7-11帶感性負載的降壓斬波電路2.降壓斬波電路分析1）ton階段如圖所示，在t=0時刻驅(qū)動斬波開關(guān)管V導通，電源E向負載供電，負載電壓Uo=E，由于電路中存在電感L，因此電路中的負載電流不能突變，i1值，呈現(xiàn)線性上升，同時電感處于充電階段。2）toff階段當時刻，控制斬波開關(guān)管V關(guān)斷，由于電感的儲能保持電路中電流經(jīng)二極管VD而繼續(xù)導通，電感處于放電階段，負載電流呈線性下降至一個周期T結(jié)束。下一周期再驅(qū)動斬波開關(guān)管V導通，重復上一周期的過程。當串聯(lián)的電感L值較大時，電感儲能能力較強，足以保證再整個周期內(nèi)的能量交換，此時電感電流連續(xù)，認為電路工作在穩(wěn)態(tài)情況下，此時負載電流在一個周期的初值和終值相等。圖7-12降壓斬波電路的波形圖7.2.3認識升壓式斬波電路及原理1.升壓式斬波電路

在電路中斬波開關(guān)管V同樣為一個全控型器件，斬波開關(guān)管V導通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和斬波開關(guān)管V形成回路，電感L儲能；當斬波開關(guān)管V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷斬波開關(guān)管V導通，是電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負載側(cè)輸出電流和電壓的大小。圖7-13升壓直流斬波電路及波形2.升壓式斬波電路分析1）ton階段斬波開關(guān)管V導通狀態(tài)時，忽略V的飽和管壓降，輸入電壓E直接加在L兩端，電感L上電流iL，線性增長，L中儲存能量。二極管VD截止，由儲能濾波電容C向負載R供電，當電容C值很大時，基本可以維持輸出電壓為恒值。2）toff階段當斬波開關(guān)管V關(guān)斷時，L兩端感應電勢左負右正，使二極管VD導通，并與輸入電壓E一起經(jīng)二極管向負載供電，電感L釋放能量，電感電流iL線性下降。設C足夠大，則電壓基本不變。3.計算相關(guān)參數(shù)當系統(tǒng)穩(wěn)定時，電感電壓在一個周期內(nèi)的積分為零，即Eton=（UO-E）toff

化簡得：由于上式中即輸出電壓高于電源電壓，因此該電路稱升壓斬波電路。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。7.2.4認識升降壓斬波電路及原理1.升降壓斬波電路分析當可控開關(guān)V導通時，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時二極管VD處于反向偏置狀態(tài)，電流為方向如圖所示。同時，電容C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。當可控開關(guān)V關(guān)斷時，電感L中存儲的能量向負載釋放，電流為，方向如圖所示。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，這時，與前面所介紹的降壓斬波電路和升壓斬波電路的情況剛好相反，因此該電路也稱為反極性斬波電路。圖7-15升降壓斬波電路及波形圖2.計算相關(guān)參數(shù)假設該電路中的電感和電容都足夠大，保證電路穩(wěn)定運行下去，且輸出電壓不變，此時設開關(guān)管V處于通態(tài)的時間為ton，開關(guān)管V處于斷態(tài)的時間為toff。當電路處于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓對時間的積分為零，即所以輸出電壓為：

uo=tontoffE=tonT-tonE=k1-kE7.2.5完成直流斬波電路的MATLAB仿真分析1仿真模型建立及參數(shù)設置1）參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號分解模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表7-1仿真模塊提取路徑圖7-16降壓斬波電路的仿真原理圖2.設置各模塊的參數(shù)采用雙擊模塊圖標彈出的對話框來設置參數(shù)，本例中所設置的參數(shù)如下。(1)直流電壓源DCVoltagesource：電壓為100V。在電壓設置中要輸入的是電壓值，在“Amplutude(波形振幅)”該欄中鍵入“100”。(2)脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：頻率為50Hz的應設置周期常數(shù)為0.02S；脈寬設置為周期的百分比。輸入50即占空比為50%。(3）RLC串聯(lián)支路：采用阻感性負載，電阻R為1Ω，電感為0.01H。3.仿真參數(shù)的設置仿真模型中，周期T為0.02s，可設置仿真時間為0.1s，即5個周期作為觀察周期。E=100V，EM=10V，負載電阻設置為R=2Ω。此時，L和占空比設置的大小決定了波形的是否連續(xù)。7-18L較小時占空比30%時電壓電流波形圖7-19L較小時占空比60%時電壓電流波形圖2）負載電流連續(xù)仿真當增大電感L值時可得到電流連續(xù)狀態(tài)仿真波形，如設置L=0.02H，此時在占空比為0.3和0.6狀態(tài)下均能得到電流連續(xù)的輸出波形，如圖7-20和7-21所示。圖7-20占空比30%時輸出電壓波形

圖7-21占空比60%時輸出電壓波形圖2升壓斬波電路的仿真1）參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用戶界面分析模塊Powergui表7-2仿真模塊提取路徑7-22升壓斬波電路仿真原理圖2.設置各模塊的參數(shù)采用雙擊模塊圖標彈出的對話框來設置參數(shù)，本例中所設置的參數(shù)如下。(1)直流電壓源DCVoltagesource：在電壓設置中要輸入的是電壓值，設置電壓為100V。在“Amplutude(波形振幅)”該欄中鍵入“100”。(2)脈沖觸發(fā)器PulseGenerator：將周期設置為0.02，脈寬設置為50，即占空比為50%。(3）IGBT：采用默認參數(shù)設置。(4）二極管：采用默認參數(shù)設置。(5）RLC串聯(lián)支路：采用阻感性負載，電阻R為1Ω，電感為0.01H。3.仿真參數(shù)的設置仿真參數(shù)設置步驟如下：設置仿真的終止時間為0.06s，算法ode23tb，其余參數(shù)不變。圖7-23占空比50%時輸出電壓波形

圖7-24占空比75%時輸出電壓波形3.升降壓斬波電路仿真1）仿真模型建立元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表Sim