Buck斩波电路电流连续与电流断续的比较研究

2017-10-14谢元宝王静茹

船电技术 2017年5期

关键词：功率管反电动势电感

王华，谢元宝，伍祚，王静茹，荣军

王华，谢元宝，伍祚，王静茹，荣军

（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

对降压斩波电路负载加反电动势其电流在不同情况下发生的连续和断续现象进行了研究。根据分段线性化思想，推断出降压斩波电路输出电流在断续情况下的条件，给出了其在电流断续的计算公式，为其实际应用提供了方便。

降压斩波电路反电动势连续断续

0 引言

降压斩波电路也可称为直流降压变压器，可以将一种直流电压直接变成另外一种直流电压，并且输出电压低于输入电压。它常用于模块电源中[1]，特别在小功率场合应用比较广泛。除了模块电源，它还常为直流电机提供直流电压，因此研究负载为直流电动机负载时也非常有意义。由于降压斩波电路在负载为直流电动机时，会出现输出电流为断续的情况，因此在电流出现断续的临界条件下，研究其电路参数取值问题成为热点之一。本文对降压斩波电路的输出电流产生的连续和断续现象进行了研究，并通过仿真软件对其电流为连续和断续的情况进行了比较分析。

2 降压斩波电路工作原理介绍

降压斩波电路的原理图以及工作波形图如图1所示[2]，其中图1(a)、(b)和(c)分别为其电路图、电流连续时候的输出波形以及电流断续时的输出波形。图1(a)中为带反电动势的降压斩波电路，出现反电动势一般是其带蓄电池负载或者拖动直流电动机的情况。图1(a)中其中功率开关器件为全控型器件，为了在关断时给负载中电感电流提供续流通道，在负载两端并联了一个二极管VD。图1(b)中输出电流0为连续的情况，不会出现为零。图1(c)中输出电流0为断续的情况，0出现为零的情况，电流断续时，负载电压0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况，而且这个时间段负载上的输出电压0为m。

降压斩波电路工作原理为：在=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压0=，负载电流0按指数曲线上升。当=0时刻，控制V关断，负载电流经VD续流，负载0接近零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续而且脉动小，通常使串联的电感值较大。现在对降压斩波电路采用分时段线性思想进行分析，来研究输出电流0连续和断续的情况。在器件V处于通态期间，设负载电流为1，可列出如下方程：

(a) 电路图

(b) 电流连续时的波形

图 1 降压斩波电路的电路图和电路波形

设此阶段电流初值为10，，解方程(1)可得：

在V处于断态期间，设负载电流为2，可列出如下方程：

(3)

设此阶段电流初值为20，解方程(3)可得：

当电流连续时，有：

(5)

联立式(2)、(4)、(5)和(6)可得：

(7)

10和20分别为负载电流的瞬时最小值和最大值。

把式(7)和式(8)用泰勒级数近似，可得：

平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。

假如负载中值较小，则有可能出现负载电流断续的情况。当电流断续时有10=0，且=on+t时，2=0，可以得出：

电流断续时，t<t，由此得出电流断续的条件为：

(11)

输出电压平均值为：

负载电流平均值为：

(13)

3 降压斩波电路的建模与仿真

降压斩波电路带反电动势负载在MATLAB/ Simulink的仿真模型如图2所示，它主要包括在主要由两个直流电源，功率开关管、续流二极管、电感以及一个电阻构成。仿真结果如图3所示[3]-[6]，其中图3(a)为输出电流为连续时的仿真波形，图3(b)为输出电流断续情况的仿真波形。从图3可以清晰的看出输出电流连续时，输出电压值在功率管开通时一直为电源电压，功率管关断时输出电压为零。而当输出电流断续时，输出电压在功率管开通时一直为电源电压，功率管关断时，如果输出电流在下降时，输出电压为零，而输出电流为零时，此时输出电压为反电动势m，与图1所示的理论分析完全一致。