虞夢月
摘要:直流斬波電路是將固定直流電壓變換成可變直流電壓的電路,廣泛應用于開關電源及直流電動機驅動中。文章分析了直流斬波電路的設計原理,并基于MATLAB/Simulink軟件,搭建了升、降壓直流斬波電路的模型,通過仿真得到了直觀的升、降壓關系,加深了對直流斬波電路的認識,為后續斬波電路的學習打下基礎。
關鍵詞:直流斬波電路;升壓式斬波電路;降壓式斬波電路;MATLAB/Simulink
直流斬波電路是將固定直流電壓變換成可變直流電壓的電路,也稱為直流變換技術。廣泛地應用于開關電源及直流電動機驅動中,如不間斷電源(UPS)、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛無級變速,以及20世紀80年代興起的電動汽車控制等。通過設計不同的直流變換電路,可以提供可調的直流電源,進而滿足不同設備的性能需求。
直流斬波電路按變換電路的功能分為:升壓式變換(Boost Converter)、降壓式變換(Buck Converter)、升降壓式變換(Boost-Buck Converter)、Cuk變換(CukConverter)、Sepic變換(Sepic Converter)和Zeta變換(ZetaConverter)。
本文以升壓式變換電路與降壓式變換電路為例,分析其設計原理,推導理論公式,并基于MATLAB/Simulink軟件,搭建了直流斬波升、降壓電路的模型。
1升壓式直流斬波電路分析
1.1工作原理介紹
升壓式直流斬波電路顧名思義即輸出電壓總是高于輸入電壓,其主電路如圖1所示,由可控開關VT、儲能電感L、升壓二極管VD和濾波電容C組成。
升壓式斬波電路的基本工作原理是:當可控開關VT處于通態時,電源E經開關VT向電感L提供能量,二極管VD承受反壓而截止,負載R所消耗的能量由電容c提供,此時負載電壓等于電容電壓。當可控開關VT處于斷態時,二極管VD導通,電源E和電感L疊加共同向電容C充電,并給負載R提供能量。
假設電路輸出端濾波電容C足夠大,以保證輸出電壓恒定,電感L的值也很大,電路數量關系推算如下:設VT通態時間為ton,此階段L上儲存的能量為EI1ton,設VT斷態時間為toff,此階段電感釋放能量為(U0-E)I1toff。在穩態工作時,電感電壓在一個周期(T=ton+toff)中積蓄能量與釋放能量相等,即:
化簡得:
(1-1)
1.2MATLAB/Simulink建模與仿真
為進一步分析升壓式直流斬波電路的實際工作情況,利用MATLAB/Simulink軟件搭建其仿真模型。可控開關VT由全控型器件IGBT組成,利用示波器進行各支路電流、電壓表的波形監測,如圖2所示。
在參數設置時,直流電壓源E為24V,IGBT的通斷由振幅為5,脈沖周期為0.2ms的脈沖來觸發,脈沖寬度設置為80,即一個周期的80%開關VT導通,20%開關VT關斷。根據理論公式(1-1)計算輸出電壓平均值:
對于仿真過程中電壓波動幅值較大,應增加濾波電容或者提高變換效率。
2降壓式直流斬波電路分析
2.1工作原理介紹
降壓式直流斬波電路即對輸入電壓進行降壓變換,其主電路如圖4所示,由可控開關VT、濾波電容C、儲能元件L和續流管VD組成。
降壓斬波電路的基本工作原理是:當可控開關VT處于通態時,VD承受反壓而截止,電源經開關VT給電感L儲存能量,并向負載供電,負載電壓U0=E-UL。當可控開關VT處于斷態時,電感L產生感應電動勢,二極管VD導通續流,負載電壓U0=-UL。
(2-1)
當ton
2.2 MATLAB/Simulink建模與仿真
同1.2,利用MATLAB/Simulink建模搭建其仿真模型,如圖5所示。參數設置時,由于重點觀測降壓過程,將直流電壓源E設置為200V,IGBT的通斷振幅及脈沖周期不變,脈沖寬度設置為50,即一個周期的50%開關VT導通,50%開關VT關斷。根據理論公式(2-1)輸出電壓平均值:
仿真所得的輸出電壓u0波形如圖6(a)所示,負載供電電流波形如圖6(b)所示。負載上的電壓u0從零開始迅速上升,最后穩定在100V左右,與理論值一致,實現了降壓目的。其電壓波動幅值較大,將電感從原來的L=0.1H擴大10倍至L=IH,所得到輸出電壓的波動變得平緩,最終穩定在100V,如圖7所示。
3結論
本文分析了直流斬波電路中升、降壓變換電路的設計原理,推導了其理論公式,并基于MATLAB/Simulink軟件,搭建了升、降壓直流斬波電路的模型,通過仿真,波形輸出的結果與理論計算值一致,通過增加電感量及電容量或提升電路效率來抑制輸出電壓波動,對直流斬波電路有了更為直觀的理解。