DC电源直流斩波电路设计探析范文

摘要：与变阻器相比，直流斩波器能够节约20%～30%的电能。对采用直流斩波电路的DC电源而言，其不但具有调压的作用，而且可以抑制网侧谐波电流产成的不良影响。基于此，设计了一种新型的直流斩波电路，经过仿真，结合电路理论实践，输出了约340V的直流电压。

关键字：DC电源；直流斩波电路；Pisim仿真

1DC电源直流斩波简述

1.1DC电源直流斩波的作用

与变阻器相比，直流斩波器能够节约20%～30%的电能[1]。对直流斩波器而言，其不但可以调压作用，而且抑制网侧谐波电流产生的不良影响。斩波电路属于现阶段应用最多的电流控制方式，拥有良好的调整特性。近年来，由于电子技术不断创新，越来越多的集成控制芯片出现于市面，这种集成芯片不需要很多元器件，仅仅使用较少的元器件就能进行工作，不仅使设计过程更加简单，而且大幅度降低了元器件的用量。

1.2直流升压电路的原理

直流升压电路原理上属于开关直流升压电路，在这个电路中，输出电压大于输入电压。电路充电时，开关处于闭合状态，等效电路图中不再设置开关，而是利用一根导线进行替代。对电路的输入电压而言，其会流经电路中的电感。二极管的主要目的是防止电路中的电容对地放电[2]。因为这个电路的输入电压是一个直流电压，所以对电路中的电感而言，电流的大小是按照一定的比率线性增加。电感的电流值增大，电感内就会不断积累能量，开关断开时，通过电路原理能够知道电感中的电流逐渐变为0。电路处于断开状态后，电感只能利用新电路实现放电，电容两端的电压值逐渐变大，电压的大小比输入电压值高时升压结束。通过上述整个过程可知，升压过程就是电感传递能量的过程。充电过程中，对电感而言是吸收能量；放电过程中，则是放出能量。假如电路中电容的容量非常大，对输出端而言，其就能够在放电时维持电流的持续流动。假如该通断过程一直持续，就能够在电容的两端获得大于输入电压的电压。

2直流升压斩波主电路设计

2.1总体设计方案

一般情况下，在需要升高直流电压的场合中，通常使用直流升压变流器升高电压。如果电路是导通状态，对电流而言，其就会流经升压电感，从而构成一个回路；对电感而言，其会开始储存能量。处于关断时，对电感所形成的反电动势而言，其会与直流电源的电压进行相同方向的叠加，如此一来，在负载侧就可以获得大于电源的电压。对二极管而言，其主要作用是阻断导通[3]；对通断周期而言，它能够调整、确定负载测的输出电流和输出电压。

2.2电路参数计算

电感L和电容C两者的数值非常大，电路导通时，电源E会向L进行充电，充电电流的大小一直是I1，并且C的电压开始对负载进行供电，由于C的数值非常大，输出电压U0的大小一直保持不变。假设电路的导通时间是T0N，这时L上面所积累的能量大小是W。电路断开时，对E和L而言，会一起对C进行充电，并对负载R进行供电。假设的断开的时间是toff，这个阶段电感L所释放的能量W为：处于稳态时，对L而言，其在一个周期T内积累的能量等于释放的能量。经简化得出：由式（3）可知，输出电压变大，属于升压斩波电路。输出电压和电源电压两者之间的比值就是升压比，其倒数记为β，β与导通占空比存在如下关系：式（1）能够表示为：对升压斩波电路而言，其能够实现输出电压大于电源电压主要有两方面的原因。第一，L储存能量后，使电压泵升；第二，电容C能够维持输出电压的大小。上述分析中，认为在电路导通时，由于电容C发挥的作用，将维持输出电压并保持恒定，但在实际中，C的数值大小无法实现无限大，在此期间一定会对负载进行放电，U就会降低。因此，实际中输出电压的大小比理论结果要小，但只要C的数值足够大，误差就不会太大，基本可以忽略不计[4]。通过直流斩波电路的原理能够得出：输入电压为24～60V，而要求输出直流电压的大小是340V。因此，通过输入电压控制IGBT的关断时间与开通时间的比值大小即可，简言之，通过升压比就可以获得所需电压。通过相应计算得出：由于这里要求输出功率P的大小是100W，U0=340V，则：

2.3电路设计

升压电路中所使用全控型晶闸管IGBT属于一种电压型驱动器件，在其栅射极间具有几千皮法的极间电容，能够快速建立驱动电压。对驱动电路而言，要求其具有比较小的输出电阻，促使IGBT开通的栅射极之间所具有的驱动电压在15～20V，并且在进行关断时，施加-15～-5V的驱动电压，减少关断损耗和时间。在栅极串连一个阻值较小的电阻，降低寄生振荡。对IGBT而言，其驱动大部分使用的都是特定的混合驱动集成驱动器，本文所使用的是一种M57962L驱动器。通过阅读产品的相关信息得知，这种驱动器具有退饱和环节、检测环节以及保护环节，出现过电流时可以快速响应，同时慢速将IGBT关断，并给外部电路传递相应的故障信号。

3电路仿真调试

3.1仿真模型的选择

本文通过Psim软件模拟所设计的电路。电路的结构图如图1所示。由图可知，IGBT的两端添加了脉冲触发电压，从而控制开关的关断，最终获得升压电压。

3.2仿真结果及分析

进行仿真时，对输入的直流电压而言，其值为4～60V，将电感的值尽量取大一些，这里取L=500H，电阻R=1000kΩ，控制脉冲电压U的占空比，即通过示波器观察输出电压的变化情况。在示波器中，输出直流电压通过红色的线进行表示，输入电压通过蓝色的线进行表示，输出电流通过橙色的线进行表示。分析其占空比得出以下结论。占空比α为0.93，Ud是24V时，所获得的输出直流电压Uo是343.5V；占空比α为0.90，Ud是35V时，所获得的输出直流电压Uo是340.5V；占空比α为0.87，Uo是45V时，所获得的输出直流电压Uo是344.2V。由此可知，本文的设计达到了预期结果，理论和实际基本相符，获得了340V的输出电压。

4结论

直流变换技术在未来电源技术的发展中起到重要作用，直流斩波电路不但具有调压的作用，而且可以抑制网侧谐波电流产生的不良影响，发挥减少电网损耗，保护电网设备的作用。本文在此技术的研究趋势下，设计了新型的DC电源直流斩波电路，起到抛砖引玉的作用，为新技术的发展提供一定参考价值。

参考文献：

[1]李仁贵，荣军，刘凯，等.Boost变换器在单相功率因数校正技术中的应用[J].船电技术，2015，35（8）：32-35.

[2]刘弘玺，王俐璇，王丹，等.升压型直流斩波电路在功率因数校正电路中的研究[J].电子技术，2018，47（8）：33-35.

[3]杨加成.直流斩波电路的性能研究[J].内燃机与配件，2018，（8）：198-199.

[4]王贯安.直流斩波电路的MATLAB研究[J].电子技术与软件工程，2014，（14）：141.

作者：苏锐 单位：山西大同大学