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DC电源直流斩波电路设计探析

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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

DC电源直流斩波电路设计探析责任编辑:张雨    阅读:人次
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