電子電力技術(shù)斬波的應(yīng)用及其重要性斬波的應(yīng)用及其重要性

1、電子電力技術(shù)斬波的應(yīng)用及其重要性摘要：電力電子電路的基本作用是進(jìn)行電能的變換與控制，即將一定形式的輸入電能變換成另外一種形式的電能輸出，從而滿足不同負(fù)載的要求。電能的形式可以分為交流和直流兩種類型，因此根據(jù)輸入、輸出的不同形式，可將電力電子電路分為四大類型，即ACDC變換器、DCAC變換器、DCDC變換器、ACAC變換器，本文主要介紹其中的DC-DC變換器，有時(shí)也稱為直流斬波器。本文主要敘述了斬波的概念、基本原理、電路原理以及它的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：斬波；斬波器；降壓式變換器；升壓式變換器前言：斬波（Chopper）,將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DCCo

2、nverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流一交流一直流。斬波簡介：直流斬波電路（DCChopper）種類：有6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。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式，Ts（周期）不變，改變Ton（通用，Ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間），二是頻率調(diào)制方式，Ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。斬波器的基本原理:直流斬波器乃利用功率組件對(duì)固定電壓之電源做適當(dāng)之切割以達(dá)成負(fù)載端電壓改變之目的。若其輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式(Buck)直流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源電壓

3、高，則稱為升壓式(Boost)直流斬波器；當(dāng)直流斬波器導(dǎo)通(Ton)時(shí)，負(fù)載端之電壓Vo等于電源電壓Vs,當(dāng)直流斬波器截止(Toff)時(shí)，負(fù)載端之電壓Vo為0,如此適當(dāng)?shù)目刂浦绷鲾夭ㄆ骺墒怪绷麟娫磾嗬m(xù)的出現(xiàn)在負(fù)載測，只要控制直流斬波器的導(dǎo)通時(shí)間，即可改變負(fù)載的平均電壓。由圖1.1(b)可看出輸出電壓之峰值等于電源電壓Vs,而輸出電壓之平均值Vo隨Ton之時(shí)間而變。而最常見之改變方式為1.周期T固定，導(dǎo)通時(shí)間Ton改變，稱脈波寬度調(diào)變。2.導(dǎo)通時(shí)間Ton固定，周期T改變，稱頻率調(diào)變。3.周期T及導(dǎo)通時(shí)間Ton同時(shí)改變，即波寬調(diào)變及頻率調(diào)變混合使用。在實(shí)際應(yīng)用中，因直流斬波器常需在負(fù)載端接上濾波電

4、感及濾波電容，若頻率改變過大對(duì)電感及電容影響大，因此多數(shù)采用脈波寬度調(diào)變。直流斬波器依負(fù)載電壓及負(fù)載電流極性來區(qū)分可分為下列三種：1.單象限直流斬波器。2.兩象限直流斬波器。3.四象限直流斬波器。(1)最基本的斬波電路如圖1所示，斬波器負(fù)載為R。當(dāng)開關(guān)S合上時(shí)，UOUT=UR=UIN,并持t1時(shí)間。當(dāng)開關(guān)切斷時(shí)UOUT=UR=0,并持續(xù)莎2時(shí)間，T=t1+t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形如圖1(b)所示。定義斬波器的占空比D=t1/T,t1,為斬波器導(dǎo)通時(shí)間，T為通斷周期。通常斬波器的工作方式有兩種：一是脈寬調(diào)制工作方式，即維持t1不變，改變T;二是脈頻調(diào)制工作方式，即維持T不變，改變

5、t1。當(dāng)占空比D從0變到1時(shí)，輸出電壓的平均值從零變到UIN,其等效電阻也隨著D而變化。間電路體.源桃力J*圖1降壓斬波電路原理(2)降壓式變換器：如圖2所示的直流變換器在使用時(shí)的輸出紋波較大，為降低輸出紋波，可在輸出端接入電感L、電容C,如圖2所示。圖中的VD1為續(xù)流二極管。降壓(Buck)式變換器的輸出電壓平均值UOUT總是小于輸入電壓UIN。電路中通過電感的電流(iL)是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。圖2降壓式(Buck)變換器當(dāng)電路工作頻率較高時(shí)，若電感和電容量足夠大并為理想元件,則電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。當(dāng)晶體管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感中的電流呈線性上升

6、,因而有-',Al潮"on(ITO)式中，ton為晶體管導(dǎo)通時(shí)間；iOUT(max)為輸出電流的最大值；iOUT(min)為輸出電流的最小值；Aion為晶體管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中的電流不能突變，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管導(dǎo)通,這時(shí)I1Ilyour='(iuLTL”也5心)/'ofl=吊(I-I)II式中，toff為晶體管截止時(shí)間；Aioff為晶體管截止時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。在穩(wěn)態(tài)時(shí)IA。=-Ai卬威1-W2)II'式中，Ai為輸出電流變量。因?yàn)殡姼袨V波保持了直流分量，消除了諧波分量，故輸出電流平均值為，訃1T=<+，0

7、min)=(1-13)r1I式中，R為負(fù)載電阻。(3)升壓式變換器圖3為升壓式DC/DC變換器，它由功率晶體管VT1、儲(chǔ)能電感L、二極管VD1及濾波電容C組成。當(dāng)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，負(fù)載Z由電容C供電。當(dāng)VT1截止時(shí)，電感電流減小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正，電感釋放能量，與輸人電壓一起順極性經(jīng)二極管向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容充電。這樣就把低壓直流變換成了高壓直流。在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于如圖3(b)所示的兩種狀態(tài)。圖3升壓式(Boost)DC/DC變換器當(dāng)晶體管導(dǎo)通、二極管截止(即0wtwt1)期間,t1=0DT。t=0時(shí)刻，VT1導(dǎo)通，電

8、感中的電流按直線規(guī)律上升，UIN=LAI/t1。當(dāng)晶體管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?即t1wtwT)期間，電感電流不能突變，電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)迫使二極管導(dǎo)通，此時(shí)則"out-UpjfJ/f=(1-D)TVl/eeC(卜用本)M二3Ji"-(L-mT-(115)式中，AI為輸入電流變量。將t1=DT,t2=(1D)T代入上式，則求得L'uit=1族/(1-。)1(1-16)BoostDC/DC變換器是一個(gè)升壓斬波器。當(dāng)D從0趨近于1時(shí)，UOUT從UIN變到任意大。同理可求得輸入電流I，二鼠“(】一以)(177)7=-，1)(JIR)|二L'in(口皿r5、01n=5

9、卜"必I式中，I為輸入電流；f為開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率。若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，那么在0,t1期間，電容上泄放的電荷量反映了電容峰-峰電壓的脈動(dòng)量，即輸出電壓Uo的脈動(dòng)量。斬波的應(yīng)用及重要性：直流斬波器是一種把一定形式的直流電壓變換成負(fù)載所需的直流電壓的變流裝置。它通過周期性地快速開通、關(guān)斷，把輸入電壓斬成一系列的脈沖電壓，改變脈沖列的脈沖寬度或頻率可以調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，因此直流斬波器的基本作用是進(jìn)行直流電壓的變換，即調(diào)壓作用。直流斬波器除了可以調(diào)節(jié)直流電壓外，還可以進(jìn)行調(diào)阻和調(diào)磁。由直流斬波器和一個(gè)固定電阻相并聯(lián)，通過直流斬波器的斬波作用，可以調(diào)節(jié)并聯(lián)等效電阻的阻值，這一過程稱為調(diào)阻。若將直

10、流斬波器串聯(lián)在電機(jī)的勵(lì)磁回路中，通過斬波作用調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場大小，這一過程稱為調(diào)磁。因此，直流斬波器具有調(diào)壓、調(diào)阻和調(diào)磁的作用。由于直流斬波器具有調(diào)壓、調(diào)磁等作用，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域之一是直流電機(jī)的調(diào)速。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電樞電壓及磁場的大小，通過直流斬波器的調(diào)壓作用，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。另外，通過直流斬波器的調(diào)磁作用，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場及勵(lì)磁電流，也可以達(dá)到調(diào)速的目的。直流電機(jī)調(diào)速在地鐵、城市無軌電車、電動(dòng)汽車等運(yùn)輸車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。直流斬波器的另一應(yīng)用領(lǐng)域是直流供電電源。在各種應(yīng)用場合中，不同用電設(shè)備所需要的直流供電電壓的等級(jí)不同，采用直流斬波器可以將單一的、不穩(wěn)定的直流輸入電壓變換成負(fù)載所需要的穩(wěn)定的、不同電壓等級(jí)的直流供電電壓，因?yàn)橹绷鲾夭ㄆ鞴ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，因此這種類型的直流供電電源也稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信等各個(gè)領(lǐng)