直流斬波電路的性能研究

直流斬波電路的性能研究一、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容:直流斬波電路(DCChopper)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/DCConverter)。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(BuckChopper)1、電路圖如下：I—,I—,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u產(chǎn)E,負(fù)載電流i。按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t=b時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓u。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U。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(BoostChopper)1、電路圖如下：L VD2、升壓斬波電路的原理：假設(shè)電路中電感L很大，電容(: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li，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U。位恒值，記為U”當(dāng)V關(guān)斷的時(shí)候電源與電感I同時(shí)對電容C充電，并且向負(fù)載R提供能量。當(dāng)電路I：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卜actorCorrection一PFC)電路，用于其他交直流電源中

三）升降壓斬波電路（Boost-BuckChopper）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h和電容典雅即負(fù)載電壓u?；緸楹阒怠導(dǎo)通，L充電，有電流ii°同時(shí)有電容（: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iz?？梢娯?fù)載電壓極性與電源電壓極性相反，故此電路乂稱為反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓有：U/j-E1-a由此知：0<alpha〈l/2時(shí)為降壓，l/2<alpha<l時(shí)為升壓。四）庫克（Cuk）斬波電路2、庫克斬波電路原理：V導(dǎo)通：E—Li—V回路和R—1_2—C—V回路分別有電流。V關(guān)斷：E—L—C—VD回路和R—L2—VD回路分別有電流。原理與升壓斬波電路相同。3、相對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：

2、Sepic斬波電路原理：V導(dǎo)通，E—L—V回路與Q—V—L?回路同時(shí)導(dǎo)電，A和L2儲(chǔ)能。V關(guān)斷，E—Li—Ci—VD負(fù)載（C2和R）回路及L2—VD—負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段E和L既向負(fù)載供電，同時(shí)也向1充電，J貯存的能量在V導(dǎo)通時(shí)向Lz轉(zhuǎn)移。3、Zeta斬波電路原理：V導(dǎo)通，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L貯能。同時(shí)，E和J共同向負(fù)載R供電，并向C?充電。V關(guān)斷后，L［經(jīng)VD向Q充電，其貯存的能量轉(zhuǎn)移至Q。同時(shí)C2向負(fù)載供電，1*2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)數(shù)據(jù)及處理：一）對升壓斬波電路性能的研究電路圖如下：在實(shí)驗(yàn)中所測得的波形如下:

相關(guān)數(shù)據(jù)見表一:序號U.(V)IW)alphaT(ps)12514.541%6022914.547.5%60333.614.553.6%6043814.558.56%6254014.561.61%62645.314.566.24%62749.514.569.08%62852.414.571.1%62955.014.572.65%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。二)PWM的工作原理：1)什么是PWM?PWM(PulseWidthModulation)控制脈沖寬度調(diào)節(jié)技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。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。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)對不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。圖如下：

圖1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖2沖量相同的各種聲肺沖的響應(yīng)波形從波形可以看出，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沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(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波形一一脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM的。a)b)a)b)圓；用個(gè)臉皮代背正弦豐源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。IIIPWM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Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，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。MWPWM現(xiàn)齒波發(fā)生器/n在「rnnn(b)圖4脈沖寬度調(diào)制過程(a)調(diào)制原理圖(b)調(diào)制波形圖通過圖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)的語音信號幅度值。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，但是對于實(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：Tk=To[l+mx(kT,)] (1)其中，x{t}是離散化的語音信號；Ts是采樣周期：心是未調(diào)制寬度；m是調(diào)制指數(shù)。然而，如果對矩形脈沖作如卜.近似:脈沖幅度為A,中心在t=kTs處,小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：2AXp(t)^AT0[l+mx(t)]/T0+X^-i—sinn(cp)cosncot(2)其中,(p(t)=m0[l+mx(t)]/Tko無需作頻譜分析，由式(2)可以看出脈沖寬度信號有語音信號x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)是，相位調(diào)制部分引起的信號交迭可忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)。三)PWM控制芯片SG3525(A)I芯片簡介：SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端宜接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(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，無論開關(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。IISG3525原理圖：四）繪制UJU。?2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UJU。?a的關(guān)系曲線仿真出來。數(shù)據(jù)見表一，輸入的程序如下:x=[57.2,50.7,44.5,39.7,36.75,32.5,29.5,2.7];y=[41,47.5,53.6,58.56,61.61,66.24,69.06,71.1,72.65];p=polyfit(x,y,1)P=-1.0321 99.7659x2=25:2:58;y2=polyval(p,x2);plot(x,y,'O',x2,y2);gridon注：由于方便，將數(shù)據(jù)均乘以100經(jīng)過MATLAB仿真出來的UJU。?c的關(guān)系曲線見下圖：0:ot,■??■1電，工程及其口動(dòng)化g—3只其705030 35 40 45 50 55 60

將所對應(yīng)的數(shù)據(jù)代入公式，UyUo=l/(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U/U。與alpha的關(guān)系。五)實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象三、實(shí)驗(yàn)總結(jié):總結(jié)一下觸發(fā)脈沖的占空比的改變對直流斬波電路負(fù)載電壓的影響，為什么會(huì)有這樣