DC電源直流斬波電路設(shè)計

蘇 銳

（山西大同大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037000）

關(guān)鍵字：DC電源；直流斬波電路；Pisim仿真

1 DC電源直流斬波簡述

1.1 DC電源直流斬波的作用

與變阻器相比，直流斬波器能夠節(jié)約20%～30%的電能[1]。對直流斬波器而言，其不但可以調(diào)壓作用，而且抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流產(chǎn)生的不良影響。斬波電路屬于現(xiàn)階段應(yīng)用最多的電流控制方式，擁有良好的調(diào)整特性。近年來，由于電子技術(shù)不斷創(chuàng)新，越來越多的集成控制芯片出現(xiàn)于市面，這種集成芯片不需要很多元器件，僅僅使用較少的元器件就能進行工作，不僅使設(shè)計過程更加簡單，而且大幅度降低了元器件的用量。

1.2 直流升壓電路的原理

直流升壓電路原理上屬于開關(guān)直流升壓電路，在這個電路中，輸出電壓大于輸入電壓。電路充電時，開關(guān)處于閉合狀態(tài)，等效電路圖中不再設(shè)置開關(guān)，而是利用一根導(dǎo)線進行替代。對電路的輸入電壓而言，其會流經(jīng)電路中的電感。二極管的主要目的是防止電路中的電容對地放電[2]。因為這個電路的輸入電壓是一個直流電壓，所以對電路中的電感而言，電流的大小是按照一定的比率線性增加。電感的電流值增大，電感內(nèi)就會不斷積累能量，開關(guān)斷開時，通過電路原理能夠知道電感中的電流逐漸變?yōu)?。電路處于斷開狀態(tài)后，電感只能利用新電路實現(xiàn)放電，電容兩端的電壓值逐漸變大，電壓的大小比輸入電壓值高時升壓結(jié)束。

通過上述整個過程可知，升壓過程就是電感傳遞能量的過程。充電過程中，對電感而言是吸收能量；放電過程中，則是放出能量。假如電路中電容的容量非常大，對輸出端而言，其就能夠在放電時維持電流的持續(xù)流動。假如該通斷過程一直持續(xù)，就能夠在電容的兩端獲得大于輸入電壓的電壓。

2 直流升壓斬波主電路設(shè)計

2.1 總體設(shè)計方案

一般情況下，在需要升高直流電壓的場合中，通常使用直流升壓變流器升高電壓。如果電路是導(dǎo)通狀態(tài)，對電流而言，其就會流經(jīng)升壓電感，從而構(gòu)成一個回路；對電感而言，其會開始儲存能量。處于關(guān)斷時，對電感所形成的反電動勢而言，其會與直流電源的電壓進行相同方向的疊加，如此一來，在負載側(cè)就可以獲得大于電源的電壓。對二極管而言，其主要作用是阻斷導(dǎo)通[3]；對通斷周期而言，它能夠調(diào)整、確定負載測的輸出電流和輸出電壓。

2.2 電路參數(shù)計算

電感L和電容C兩者的數(shù)值非常大，電路導(dǎo)通時，電源E會向L進行充電，充電電流的大小一直是I1，并且C的電壓開始對負載進行供電，由于C的數(shù)值非常大，輸出電壓U0的大小一直保持不變。假設(shè)電路的導(dǎo)通時間是T0N，這時L上面所積累的能量大小是W。電路斷開時，對E和L而言，會一起對C進行充電，并對負載R進行供電。假設(shè)的斷開的時間是toff，這個階段電感L所釋放的能量W為：

處于穩(wěn)態(tài)時，對L而言，其在一個周期T內(nèi)積累的能量等于釋放的能量。

經(jīng)簡化得出：

由式（3）可知，輸出電壓變大，屬于升壓斬波電路。輸出電壓和電源電壓兩者之間的比值就是升壓比，其倒數(shù)記為β，β與導(dǎo)通占空比存在如下關(guān)系：

式（1）能夠表示為：

對升壓斬波電路而言，其能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓大于電源電壓主要有兩方面的原因。第一，L儲存能量后，使電壓泵升；第二，電容C能夠維持輸出電壓的大小。上述分析中，認為在電路導(dǎo)通時，由于電容C發(fā)揮的作用，將維持輸出電壓并保持恒定，但在實際中，C的數(shù)值大小無法實現(xiàn)無限大，在此期間一定會對負載進行放電，U就會降低。因此，實際中輸出電壓的大小比理論結(jié)果要小，但只要C的數(shù)值足夠大，誤差就不會太大，基本可以忽略不計[4]。通過直流斬波電路的原理能夠得出：

輸入電壓為24～60 V，而要求輸出直流電壓的大小是340 V。因此，通過輸入電壓控制IGBT的關(guān)斷時間與開通時間的比值大小即可，簡言之，通過升壓比就可以獲得所需電壓。通過相應(yīng)計算得出：

由于這里要求輸出功率P的大小是100 W，U0=340 V，則：

得出：

2.3 電路設(shè)計

升壓電路中所使用全控型晶閘管IGBT屬于一種電壓型驅(qū)動器件，在其柵射極間具有幾千皮法的極間電容，能夠快速建立驅(qū)動電壓。對驅(qū)動電路而言，要求其具有比較小的輸出電阻，促使IGBT開通的柵射極之間所具有的驅(qū)動電壓在15～20 V，并且在進行關(guān)斷時，施加-15～-5 V的驅(qū)動電壓，減少關(guān)斷損耗和時間。在柵極串連一個阻值較小的電阻，降低寄生振蕩。

對IGBT而言，其驅(qū)動大部分使用的都是特定的混合驅(qū)動集成驅(qū)動器，本文所使用的是一種M57962L驅(qū)動器。通過閱讀產(chǎn)品的相關(guān)信息得知，這種驅(qū)動器具有退飽和環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)以及保護環(huán)節(jié)，出現(xiàn)過電流時可以快速響應(yīng)，同時慢速將IGBT關(guān)斷，并給外部電路傳遞相應(yīng)的故障信號。

3 電路仿真調(diào)試

3.1 仿真模型的選擇

本文通過Psim軟件模擬所設(shè)計的電路。電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖可知，IGBT的兩端添加了脈沖觸發(fā)電壓，從而控制開關(guān)的關(guān)斷，最終獲得升壓電壓。

圖1 直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

進行仿真時，對輸入的直流電壓而言，其值為4～60 V，將電感的值盡量取大一些，這里取L=500 H，電阻R=1 000 kΩ，控制脈沖電壓U的占空比，即通過示波器觀察輸出電壓的變化情況。在示波器中，輸出直流電壓通過紅色的線進行表示，輸入電壓通過藍色的線進行表示，輸出電流通過橙色的線進行表示。分析其占空比得出以下結(jié)論。占空比α為0.93，Ud是24 V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是343.5 V；占空比α為0.90，Ud是35 V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是340.5 V；占空比α為0.87，Uo是45 V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是344.2 V。由此可知，本文的設(shè)計達到了預(yù)期結(jié)果，理論和實際基本相符，獲得了340 V的輸出電壓。

4 結(jié) 論

直流變換技術(shù)在未來電源技術(shù)的發(fā)展中起到重要作用，直流斬波電路不但具有調(diào)壓的作用，而且可以抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流產(chǎn)生的不良影響，發(fā)揮減少電網(wǎng)損耗，保護電網(wǎng)設(shè)備的作用。本文在此技術(shù)的研究趨勢下，設(shè)計了新型的DC電源直流斬波電路，起到拋磚引玉的作用，為新技術(shù)的發(fā)展提供一定參考價值。