《电力电子技术（第二版） 》 课件 项目七 直流斩波电路-调试开关电源电路

项目七

直流斩波电路—调试开关电源电路【学习目标】知识目标（1）能说出电力晶体管工作原理及伏安特性。（2）能说出电力晶体管的驱动电路特点。能力目标（1）能说出降压式斩波电路工作原理并计算其输出电压。（2）能说出升压式斩波电路工作原理并计算其输出电压。（3）会用MATLAB搭建直流斩波电路仿真模型并分析不同直流斩波电路的工作特性。素养目标（1）培养仔细分析，解决问题的能力。（2）培养团结合作，有效沟通的能力。【项目引入】

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式，如图7-1所示为应用于通信行业高频开关电源及直流变换器。图7-1通信专用直流开关电源任务7.1认识电力晶体管（GTR）7.1.1了解GTR工作原理1电力晶体管的结构GTR的结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似，GTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管是类似的，由三层半导体、两个PN结组成。图7-2GTR的结构结构示意图、电气图形符号2.单管GTR的基本工作原理图7-2所示的共发射极的单管NPN电路晶体管电路中，基极电流ib、集电极电极电流ic与发射极电流ie三者满足下式的关系：

称为电流传输比，它是共基极接法时的电流放大系数，在共发射极应用中基极电流与发射极电流之比非常重要，即。β值定义为集电极电流与基极电流的放大系数。若α接近于1，说明传输效率很高，则β值很大。作为开关应用时，其直流增益通常可以认为,对于单管GTR来说，受其结构特点的限制，电流增益较低，约为0～20倍。

3达林顿GTR及GTR模块1）达林顿GTR结构单个GTR管的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担。由两个或者多个晶体管可以按照达林顿结构复合而成达林顿GTR，可以提高电流增益。2）GTR模块

作为大功率开关应用最多的还是GTR模块，它是将GTR管芯，稳定电阻、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个外壳之内构成模块，现已可将上述单元电路集成制作在同一硅片上，使其小型化、轻量化。7.1.2了解GTR基本特性及主要参数1.基本特性1)静态特性图7-4给出了GTR在共发射极的典型输出特性，即分为截止区、放大区、准饱和区以及饱和区四个区域。截止区：在截止区内，发射结、集电结均反偏。

放大区：在放大区内，发射结正偏、集电结反偏，此时集电极电流与基极电流呈线性关系。准饱和区（临界饱和区）：在准饱和区内，发射结正偏、集电结反偏，此时集电极电流与基极电流不是线性关系。饱和区：在饱和区内，发射结、集电结均正偏。图7-4共发射极接法时GTR输出特性2)动态特性GTR的动态特性主要指开关特性。GTR是用基极电流来控制集电极电流的，图7-5所示为GTR开通和关断过程中基极电流和集电极电流波形的关系。图7-5GTR的开通和关断过程电流波形2.GTR的主要参数1)最高工作电压最高工作电压指最高集电极电压额定值，GTR上所加的最高工作电压超过规定值时，就会发生击穿。2)最大即允许流过最大电流值，一般以电流放大倍数β值下降到额定值的的1/2至1/3时，所对应的电流额定值.3)最大耗散功率最大耗散功率额定值指GTR在最高允许结温时多对应的耗散功率，它受结温的限制。7.1.3了解GTR驱动电路1.对基极驱动电路的基本要求理想的GTR基极驱动电流波形如图7-8所示。对GTR基极驱动电路的要求一般有：1）控制GTR开通时，驱动电流G前沿要陡，并由一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开关损耗。2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使期间处于临界饱和状态，以降低驱动功率。缩短储存时间。3）GTR关断时，应提供足够大的反向基极电流，以缩短关断时间，减小损耗。4）应能实现主电路与控制电路之间的电气隔离，以保证安全，提高抗干扰能力。5）具有一定保护功能。图7-8理想的GTR基极驱动电流波形2.基极驱动实例图7-9是具有负偏压、抗饱和的GTR驱动电流，其特点是简单实用，但没有GTR的保护功能。图7-9典型GTR光耦合驱动电路任务7.2认识直流斩波电路及原理7.2.1斩波电路基本原理

直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。这两种电路应用最广泛，理解这两种基本电路是理解其他电路的基础。1.斩波电路分析最基本的斩波电路如图7-10(a)所示，电阻R为斩波器的负载，V为斩波开关。将开关V合上，其闭合持续时间为ton，此时电阻R上的电压为直流电压E；当开关关断，其闭合持续时间为toff，此时负载上的电压为零。将T=ton+toff为斩波器的工作周期，开关V在每个周期内按照此规律开闭，则可以得到斩波器的输出波形如图7-10(b)所示。将斩波器的占空比k=ton/T，由波形图上可获得输出电压平均值为：

7-10基本的斩波电路及波形2.斩波器工作方式根据改变占空比的方式不同，斩波电路有三种控制方式：1）脉宽调制工作方式：保持开关周期T不变，调节开关导通时间，称为脉宽调制工作方式或脉冲宽型。2）频率调制工作方式：保持开关导通时间不变，改变开关周期T，称为平率调制或者调频型。3）混合型开通时间和关断时间都可调，使占空比改变，称为混合型。7.2.2认识降压式斩波电路及原理1.降压斩波电路全控器件斩波开关管V在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。而V截止时，电感L开始放电为负载供电，二极管VD导通，形成回路。V以这种方式不断重复开通和关断，若电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比由控制信号的占空比来决定。图7-11带感性负载的降压斩波电路2.降压斩波电路分析1）ton阶段如图所示，在t=0时刻驱动斩波开关管V导通，电源E向负载供电，负载电压Uo=E，由于电路中存在电感L，因此电路中的负载电流不能突变，i1值，呈现线性上升，同时电感处于充电阶段。2）toff阶段当时刻，控制斩波开关管V关断，由于电感的储能保持电路中电流经二极管VD而继续导通，电感处于放电阶段，负载电流呈线性下降至一个周期T结束。下一周期再驱动斩波开关管V导通，重复上一周期的过程。当串联的电感L值较大时，电感储能能力较强，足以保证再整个周期内的能量交换，此时电感电流连续，认为电路工作在稳态情况下，此时负载电流在一个周期的初值和终值相等。图7-12降压斩波电路的波形图7.2.3认识升压式斩波电路及原理1.升压式斩波电路

在电路中斩波开关管V同样为一个全控型器件，斩波开关管V导通时，电流由E经升压电感L和斩波开关管V形成回路，电感L储能；当斩波开关管V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断斩波开关管V导通，是电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。图7-13升压直流斩波电路及波形2.升压式斩波电路分析1）ton阶段斩波开关管V导通状态时，忽略V的饱和管压降，输入电压E直接加在L两端，电感L上电流iL，线性增长，L中储存能量。二极管VD截止，由储能滤波电容C向负载R供电，当电容C值很大时，基本可以维持输出电压为恒值。2）toff阶段当斩波开关管V关断时，L两端感应电势左负右正，使二极管VD导通，并与输入电压E一起经二极管向负载供电，电感L释放能量，电感电流iL线性下降。设C足够大，则电压基本不变。3.计算相关参数当系统稳定时，电感电压在一个周期内的积分为零，即Eton=（UO-E）toff

化简得：由于上式中即输出电压高于电源电压，因此该电路称升压斩波电路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。7.2.4认识升降压斩波电路及原理1.升降压斩波电路分析当可控开关V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时二极管VD处于反向偏置状态，电流为方向如图所示。同时，电容C维持输出电压恒定并向负载R供电。当可控开关V关断时，电感L中存储的能量向负载释放，电流为，方向如图所示。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时，与前面所介绍的降压斩波电路和升压斩波电路的情况刚好相反，因此该电路也称为反极性斩波电路。图7-15升降压斩波电路及波形图2.计算相关参数假设该电路中的电感和电容都足够大，保证电路稳定运行下去，且输出电压不变，此时设开关管V处于通态的时间为ton，开关管V处于断态的时间为toff。当电路处于稳态时，一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，即所以输出电压为：

uo=tontoffE=tonT-tonE=k1-kE7.2.5完成直流斩波电路的MATLAB仿真分析1仿真模型建立及参数设置1）参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/PulseGenerator直流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号分解模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement电流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用户界面分析模块Powergui表7-1仿真模块提取路径图7-16降压斩波电路的仿真原理图2.设置各模块的参数采用双击模块图标弹出的对话框来设置参数，本例中所设置的参数如下。(1)直流电压源DCVoltagesource：电压为100V。在电压设置中要输入的是电压值，在“Amplutude(波形振幅)”该栏中键入“100”。(2)脉冲触发器PulseGenerator：频率为50Hz的应设置周期常数为0.02S；脉宽设置为周期的百分比。输入50即占空比为50%。(3）RLC串联支路：采用阻感性负载，电阻R为1Ω，电感为0.01H。3.仿真参数的设置仿真模型中，周期T为0.02s，可设置仿真时间为0.1s，即5个周期作为观察周期。E=100V，EM=10V，负载电阻设置为R=2Ω。此时，L和占空比设置的大小决定了波形的是否连续。7-18L较小时占空比30%时电压电流波形图7-19L较小时占空比60%时电压电流波形图2）负载电流连续仿真当增大电感L值时可得到电流连续状态仿真波形，如设置L=0.02H，此时在占空比为0.3和0.6状态下均能得到电流连续的输出波形，如图7-20和7-21所示。图7-20占空比30%时输出电压波形

图7-21占空比60%时输出电压波形图2升压斩波电路的仿真1）参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/PulseGenerator直流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement电流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranchIGBTSimpowersystems/PowerElectronics/IGBT用户界面分析模块Powergui表7-2仿真模块提取路径7-22升压斩波电路仿真原理图2.设置各模块的参数采用双击模块图标弹出的对话框来设置参数，本例中所设置的参数如下。(1)直流电压源DCVoltagesource：在电压设置中要输入的是电压值，设置电压为100V。在“Amplutude(波形振幅)”该栏中键入“100”。(2)脉冲触发器PulseGenerator：将周期设置为0.02，脉宽设置为50，即占空比为50%。(3）IGBT：采用默认参数设置。(4）二极管：采用默认参数设置。(5）RLC串联支路：采用阻感性负载，电阻R为1Ω，电感为0.01H。3.仿真参数的设置仿真参数设置步骤如下：设置仿真的终止时间为0.06s，算法ode23tb，其余参数不变。图7-23占空比50%时输出电压波形

图7-24占空比75%时输出电压波形3.升降压斩波电路仿真1）仿真模型建立元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/PulseGenerator直流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表Sim