DC電源直流斬波電路設計探析范文

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摘要：與變阻器相比，直流斬波器能夠節約20%～30%的電能。對采用直流斬波電路的dc電源而言，其不但具有調壓的作用，而且可以抑制網側諧波電流產成的不良影響。基于此，設計了一種新型的直流斬波電路，經過仿真，結合電路理論實踐，輸出了約340V的直流電壓。

關鍵字：DC電源；直流斬波電路；Pisim仿真

1DC電源直流斬波簡述

1.1DC電源直流斬波的作用

與變阻器相比，直流斬波器能夠節約20%～30%的電能[1]。對直流斬波器而言，其不但可以調壓作用，而且抑制網側諧波電流產生的不良影響。斬波電路屬于現階段應用最多的電流控制方式，擁有良好的調整特性。近年來，由于電子技術不斷創新，越來越多的集成控制芯片出現于市面，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，開關處于閉合狀態，等效電路圖中不再設置開關，而是利用一根導線進行替代。對電路的輸入電壓而言，其會流經電路中的電感。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，電感內就會不斷積累能量，開關斷開時，通過電路原理能夠知道電感中的電流逐漸變為0。電路處于斷開狀態后，電感只能利用新電路實現放電，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流動。假如該通斷過程一直持續，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計

2.1總體設計方案

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。如果電路是導通狀態，對電流而言，其就會流經升壓電感，從而構成一個回路；對電感而言，其會開始儲存能量。處于關斷時，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通[3]；對通斷周期而言，它能夠調整、確定負載測的輸出電流和輸出電壓。

2.2電路參數計算

電感L和電容C兩者的數值非常大，電路導通時，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的數值非常大，輸出電壓U0的大小一直保持不變。假設電路的導通時間是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：處于穩態時，對L而言，其在一個周期T內積累的能量等于釋放的能量。經簡化得出：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，其倒數記為β，β與導通占空比存在如下關系：式（1）能夠表示為：對升壓斬波電路而言，其能夠實現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，認為在電路導通時，由于電容C發揮的作用，將維持輸出電壓并保持恒定，但在實際中，C的數值大小無法實現無限大，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果要小，但只要C的數值足夠大，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24～60V，而要求輸出直流電壓的大小是340V。因此，通過輸入電壓控制IGBT的關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。通過相應計算得出：由于這里要求輸出功率P的大小是100W，U0=340V，則：

2.3電路設計

升壓電路中所使用全控型晶閘管IGBT屬于一種電壓型驅動器件，在其柵射極間具有幾千皮法的極間電容，能夠快速建立驅動電壓。對驅動電路而言，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動電壓在15～20V，并且在進行關斷時，施加-15～-5V的驅動電壓，減少關斷損耗和時間。在柵極串連一個阻值較小的電阻，降低寄生振蕩。對IGBT而言，其驅動大部分使用的都是特定的混合驅動集成驅動器，本文所使用的是一種M57962L驅動器。通過閱讀產品的相關信息得知，這種驅動器具有退飽和環節、檢測環節以及保護環節，出現過電流時可以快速響應，同時慢速將IGBT關斷，并給外部電路傳遞相應的故障信號。

3電路仿真調試

3.1仿真模型的選擇

本文通過Psim軟件模擬所設計的電路。電路的結構圖如圖1所示。由圖可知，IGBT的兩端添加了脈沖觸發電壓，從而控制開關的關斷，最終獲得升壓電壓。

3.2仿真結果及分析

進行仿真時，對輸入的直流電壓而言，其值為4～60V，將電感的值盡量取大一些，這里取L=500H，電阻R=1000kΩ，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論。占空比α為0.93，Ud是24V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是343.5V；占空比α為0.90，Ud是35V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是340.5V；占空比α為0.87，Uo是45V時，所獲得的輸出直流電壓Uo是344.2V。由此可知，本文的設計達到了預期結果，理論和實際基本相符，獲得了340V的輸出電壓。

4結論

直流變換技術在未來電源技術的發展中起到重要作用，直流斬波電路不但具有調壓的作用，而且可以抑制網側諧波電流產生的不良影響，發揮減少電網損耗，保護電網設備的作用。本文在此技術的研究趨勢下，設計了新型的DC電源直流斬波電路，起到拋磚引玉的作用，為新技術的發展提供一定參考價值。

參考文獻：

[1]李仁貴，榮軍，劉凱，等.Boost變換器在單相功率因數校正技術中的應用[J].船電技術，2015，35（8）：32-35.

[2]劉弘璽，王俐璇，王丹，等.升壓型直流斬波電路在功率因數校正電路中的研究[J].電子技術，2018，47（8）：33-35.

[3]楊加成.直流斬波電路的性能研究[J].內燃機與配件，2018，（8）：198-199.

[4]王貫安.直流斬波電路的MATLAB研究[J].電子技術與軟件工程，2014，（14）：141.

作者：蘇銳 單位：山西大同大學