斩波电路的MATLAB仿真研究(2)

如图1.2中V的栅极电压uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数上升。

当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。

至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图所示：

图1.2

负载侧输出电压平均值为 ：

Uo?tontE?onE??Eton?toffT

式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期； α为导通占空比。

由式1.1可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为E，减小占空比α，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。 负载电流平均值为:

Io=（Uo-Em）/R

根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式： 1） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton不变，称为PWM调制。 2） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。 3） ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

2.升压斩波电路（Boost Chopper）

升压斩波电路的元路途如图所示，该电路中也是使用一个全控型器件。

首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压uo为恒值，记为Uo。设V处于通态的时间ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EIton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为（Uo-E）I1toff，当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：

式中，T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。 升压比的倒数记做β，即: β=T/toff β和α的关系： α+β=1 所以输出电压为

升压斩波电路之所以能是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压包保持住。

3.升降压斩波电路（Buck-boost Chopper）

升降压斩波电路的原理图如图所示

升降压斩波电路

设电路中电感L值很大，电容C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。

该电路的基本工作原理是：

V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为iL，同时，C维持输出稳态时电压恒定并向负载R供电，这时uL=E.

V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时uL=-uo

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对事件的积分为零，即：

所以输出电压为：

（ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间）

四、 斩波电路的建模与仿真

1、直流降压斩波

直流降压斩波电路仿真模型如图4-1-1所示，直流电源电压为200V，负载为电阻电感反电动势负载，电阻为2欧姆，电感为5mH，反电动势为80V。开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为分别为70%和80%。此时电路的仿真波形如图4-1-2和图4-1-3所示。三幅波形图中的波形依次为驱动信号、负载电流、负载电压。电路仿真中奖时间设为0.02s，最终显示波形取0.01--0.02s的电路波形，此时电路已接近稳态。

图4-1-1 直流降压斩波电路仿真模型

图4-1-2 占空比为70%的直流降压斩波电路仿真波形

图4-1-3 占空比为80%的直流降压斩波电路仿真波形

2.直流升压斩波电路

直流升压斩波电路仿真模型如图4-2-1所示，直流电源电压为100V，负载为带有电容滤波的电阻负载，电阻为25欧姆，滤波电容为100μF开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为分别为70%和80%。此时电路的仿真波形如图4-2-2和图4-2-3所示。三幅波形图中的波形依次为驱动信号、负载电流、负载电压。电路仿真中，将仿真时间设为0.03s，最终显示波形取0.02--0.03的电路波形，此时电路已接近稳态。

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