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固定電壓之電源做適當之切割以達成負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；當直流斬波器導(dǎo)通(Ton)時，負載端之電壓Vo等于電源電壓Vs,當直流斬波器截止(Toff)時，負載端之電壓Vo為0,如此適當?shù)目刂浦绷鲾夭ㄆ骺墒怪绷麟娫磾嗬m(xù)的出現(xiàn)在負載測，只要控制直流斬波器的導(dǎo)通時間，即可改變負載的平均電壓。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之時間而變。而最常見之改變方式為1.周期T固定，導(dǎo)通時間Ton改變，稱脈波寬度調(diào)變。2.導(dǎo)通時間Ton固定，周期T改變，稱頻率調(diào)變。3.周期T及導(dǎo)通時間Ton同時改變，即波寬調(diào)變及頻率調(diào)變混合使用。在實際應(yīng)用中，因直流斬波器常需在負載端接上濾波電

4、感及濾波電容，若頻率改變過大對電感及電容影響大，因此多數(shù)采用脈波寬度調(diào)變。直流斬波器依負載電壓及負載電流極性來區(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，斬波器負載為R。當開關(guān)S合上時，UOUT=UR=UIN,并持t1時間。當開關(guān)切斷時UOUT=UR=0,并持續(xù)莎2時間，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。當占空比D從0變到1時，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)變換器當電路工作頻率較高時，若電感和電容量足夠大并為理想元件,則電路進入穩(wěn)態(tài)后，可以認為輸出電壓為常數(shù)。當晶體管VT1導(dǎo)通時，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)通時間內(nèi)的輸出電流變量。當晶體管截止時，電感中的電流不能突變，電感上的感應(yīng)電動勢使二極管導(dǎo)通,這時I1Ilyour='(iuLTL”也5心)/'ofl=吊(I-I)II式中，toff為晶體管截止時間；Aioff為晶體管截止時間內(nèi)的輸出電流變量。在穩(wěn)態(tài)時IA。=-Ai卬威1-W2)II'式中，Ai為輸出電流變量。因為電感濾波保持了直流分量，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、儲能電感L、二極管VD1及濾波電容C組成。當功率晶體管導(dǎo)通時，電源向電感儲能，電感電流增加，感應(yīng)電動勢為左正右負，負載Z由電容C供電。當VT1截止時，電感電流減小，感應(yīng)電動勢為左負右正，電感釋放能量，與輸人電壓一起順極性經(jīng)二極管向負載供電，并同時向電容充電。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變換器當晶體管導(dǎo)通、二極管截止(即0wtwt1)期間,t1=0DT。t=0時刻，VT1導(dǎo)通，電

8、感中的電流按直線規(guī)律上升，UIN=LAI/t1。當晶體管由導(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)電動勢會迫使二極管導(dǎo)通，此時則"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變換器是一個升壓斬波器。當D從0趨近于1時，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。若忽略負載電流脈動，那么在0,t1期間，電容上泄放的電荷量反映了電容峰-峰電壓的脈動量，即輸出電壓Uo的脈動量。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，還可以進行調(diào)阻和調(diào)磁。由直流斬波器和一個固定電阻相并聯(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)在電機的勵磁回路中，通過斬波作用調(diào)節(jié)勵磁電流，從而調(diào)節(jié)電機的磁場大小，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)域之一是直流電機的調(diào)速。直流電機的轉(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)電機的電樞電壓，達到調(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)電機的磁場及勵磁電流，也可以達到調(diào)速的目的。直流電機調(diào)速在地鐵、城市無軌電車、電動汽車等運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載所需要的穩(wěn)定的、不同電壓等級的直流供電電壓，因為直流斬波器工作在開關(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)電源在計算機、通信等各個領(lǐng)