基于斬波電路的占空比最優(yōu)控制研究

 摘要 文中以常見(jiàn)的斬波電路為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)電路的電流、電壓和功率要素的分析與計(jì)算，將各要素用占空比D表示，井從占空比的角度分析以上要素的極值與范圍，從而體現(xiàn)占空比對(duì)器件要素性能的最優(yōu)控制及影響，為用戶(hù)在選擇電路器件時(shí)提供了更多的選擇。

關(guān)鍵詞 斬波電路;占空比;最優(yōu)控制

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的新興學(xué)科。現(xiàn)階段的電力電子技術(shù)可理解為功率強(qiáng)大的功放器件，其與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，改變了以往的發(fā)展模式，并有著諸多的優(yōu)勢(shì)和功能：其不僅能通過(guò)功率較大的電流和承受高電壓，且可在大功率的情況下，較好地解決器件發(fā)熱、運(yùn)行效率的問(wèn)題。將電力電子通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一定的濾波條件下，在負(fù)載上可獲得平均值小于或大于電源的電壓或電流。若改變開(kāi)關(guān)器件通、斷的動(dòng)作頻率，或時(shí)間比例，則可改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流平均值的調(diào)節(jié)。

本文主要介紹基本斬波電路的工作原理和穩(wěn)態(tài)工作特性，著重從占空比的角度體現(xiàn)電路特性。通過(guò)計(jì)算電路中各自的電壓、電流和功率關(guān)系，最終用占空比來(lái)體現(xiàn)這些要素的大小范圍與極值，并從占空比的角度分析比較各電子器件的電路性能。

1 降壓斬波電路

降壓斬波電路又稱(chēng)Buck斬波電路，該電路的特點(diǎn)是輸出電壓比輸入電壓低，而輸出電流則高于輸入電流。即通過(guò)該電路的變換可將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為低于其值的輸出直流電壓，并實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。

圖1中T是開(kāi)關(guān)器件，可根據(jù)應(yīng)用需要選取不同的電力電子器件;L、C為濾波電感和電容，組成低通濾波器;R為負(fù)載;VD為iL續(xù)流二極管。當(dāng)T斷開(kāi)時(shí)，VD為提供續(xù)流通路;E為輸入直流電壓;U0為輸出電壓平均值。在此選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件時(shí)，電路如圖1所示。

根據(jù)電路中電感電流的連續(xù)情況，可將降壓斬波電路分為連續(xù)導(dǎo)電和不連續(xù)導(dǎo)電兩種工作模式，文中Ts為導(dǎo)通周期。

1.1 電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式

連續(xù)導(dǎo)電模式對(duì)應(yīng)電感電流恒>0的情形。設(shè)開(kāi)關(guān)器件T的控制信號(hào)為UG。當(dāng)UG為高電平時(shí)T導(dǎo)通，UG為低電平時(shí)T關(guān)斷。

電路的工作原理是：設(shè)電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時(shí)，使T導(dǎo)通，因二極管VD反向偏置，電感兩端電壓為uL=E-U0，且為正。此時(shí)，電源E通過(guò)電感L向負(fù)載傳遞能量，電感中的電流iL從I1線性增長(zhǎng)至I2，儲(chǔ)能增加。在t=ton時(shí)刻，使T關(guān)斷，而iL不能突變，故iL將通過(guò)二極管VD續(xù)流，L儲(chǔ)能消耗在負(fù)載R上，iL線性衰減，儲(chǔ)能減少。此uL=-U0時(shí)，由于VD的單向?qū)щ娦?，iL只能向一個(gè)方向流動(dòng)，即總有iL≥0，從而在負(fù)載R上獲得單極性的直流電壓。選擇合適的電感電容值，并控制T周期性地開(kāi)關(guān)，可控制輸出電壓平均值大小并使輸出電壓紋波在容許的范圍內(nèi)。顯然T導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，傳遞到負(fù)載的能量則愈多，輸出電壓也就愈高。T導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的工作波形如圖2所示。

由圖2可知，電源電流只在T導(dǎo)通期間存在，設(shè)電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時(shí)，使T導(dǎo)通，因二極管VD反向偏置所以關(guān)斷，電感兩端電壓為UL，uL=E-U0且為正。此時(shí)，電源E通過(guò)電感L向負(fù)載傳遞能量，電感中的電流iL從I1線性增長(zhǎng)至I2(此時(shí)ie=iL)，儲(chǔ)能增加。

根據(jù)輸出功率的函數(shù)曲線可知，當(dāng)D=0.5時(shí)P最大，這樣就能算出負(fù)載端降壓后的功率范圍0～E2Ts/8L，由此可為用戶(hù)提供了更好的電壓功率參數(shù)。

1.2 電感電流斷續(xù)模式

在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式下的整個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts中，電感電流iL均>0，且介于I1與I2之間變化。電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式是指在開(kāi)關(guān)器件T關(guān)斷的toff期間內(nèi)，電感電流iL已降為0，且保持一定時(shí)間，而電路有3工作狀態(tài)，即T導(dǎo)通，VD截止;T截止，VD導(dǎo)通。T、VD均截止，電感電流為0。電路的工作原理是：在t=0時(shí)，使T導(dǎo)通，情況與電流連續(xù)導(dǎo)電模式相同，電感中的電流iL線性增長(zhǎng)至ILmax，儲(chǔ)能增加。在t=ton時(shí)刻，使T關(guān)斷，iL通過(guò)二極管VD續(xù)流。但在T的下一個(gè)導(dǎo)通周期到來(lái)前，iL已衰減到0，此時(shí)續(xù)流二極管VD也截止，當(dāng)T和VD均截止時(shí)電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式的電壓電流波形如圖3所示。

當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，電感電壓為

2 升壓斬波電路

圖5是升壓斬波電路。又稱(chēng)Boost斬波電路，用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)能量從低壓側(cè)電源向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞。

2.1 電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式

設(shè)開(kāi)關(guān)器件T的控制信號(hào)為UG。當(dāng)UG為高電平時(shí)T導(dǎo)通，UG為低電平時(shí)T關(guān)斷。T導(dǎo)通與關(guān)斷與降壓圖類(lèi)似。

電路工作原理是：設(shè)電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時(shí)，使T導(dǎo)通，二極管VD承受反壓而截止，電源電壓E全部加入電感L上，電感中的電流iL從I1線性增長(zhǎng)至I2，且儲(chǔ)能增加;同時(shí)由電容C為負(fù)載R提供能量。

在t=ton時(shí)刻，使UG為低電平，T關(guān)斷，因電感電流不能突變，iL通過(guò)VD將存儲(chǔ)的能量提供給電容和負(fù)載，即電感儲(chǔ)能傳遞到電容、負(fù)載側(cè)。電感中的電流iL從I2線性減少至I1，儲(chǔ)能減少，其產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流減少，感應(yīng)電勢(shì)UL<0，故U0>E。T導(dǎo)通和關(guān)斷工況下各電量的工作波形如圖6所示。

從輸出功率表達(dá)式可看出，理想情況下輸出功率等于輸入功率，且輸出功率與占空比成正比，同樣的情況下占空比越大輸出功率則越大，輸出功率范圍0～E2Ts/2L。

2.2 電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式

當(dāng)電路處于斷續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，在開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷的toff期間內(nèi)，輸出電感電流iL已降為0，且保持到下一個(gè)周期開(kāi)始。電路同樣有3種工作狀態(tài)，即T導(dǎo)通、VD截止;T截止、VD導(dǎo)通;T、VD均截止。電路的工作原理是：在t=0時(shí)，使T導(dǎo)通，情況與電流連續(xù)導(dǎo)電模式相同，電感中的電流iL線性增長(zhǎng)至ILmax，儲(chǔ)能增加。在t=ton時(shí)刻，使T關(guān)斷，iL通過(guò)二極管VD同時(shí)給電容C充電和為負(fù)載R提供能量。但在T下一個(gè)導(dǎo)通周期

到來(lái)前，iL已衰減到0，從而出現(xiàn)電流的斷續(xù)現(xiàn)象，此時(shí)T、VD均截止。其電壓電流波形如圖7所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了升降壓斬波電路的原理，通過(guò)計(jì)算從占空比的角度分析電路電壓電流和功率范圍，可發(fā)現(xiàn)占空比對(duì)電路功率等性能的的影響，從而體現(xiàn)占空比在電路中對(duì)各性能的最優(yōu)控制，并選擇合適的占空比對(duì)一個(gè)具體的電路從某種程度即對(duì)電路的優(yōu)化控制，這就相當(dāng)于放大電路的輸出效果使輸出功能最佳。這僅是從一個(gè)角度研究器件性能的優(yōu)化，仍有眾多器件優(yōu)化問(wèn)題尚待解決?？深A(yù)計(jì)的是，隨著電力器件的研究與發(fā)展，其的性能會(huì)不斷提高，由此會(huì)產(chǎn)生更好的新器件，這為用戶(hù)在選擇電力電子器件時(shí)提供了更多的選擇。