王 華，謝元寶，伍 祚，王靜茹，榮 軍

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Buck斬波電路電流連續(xù)與電流斷續(xù)的比較研究

王 華，謝元寶，伍 祚，王靜茹，榮 軍

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽414006）

對降壓斬波電路負(fù)載加反電動勢其電流在不同情況下發(fā)生的連續(xù)和斷續(xù)現(xiàn)象進行了研究。根據(jù)分段線性化思想，推斷出降壓斬波電路輸出電流在斷續(xù)情況下的條件，給出了其在電流斷續(xù)的計算公式，為其實際應(yīng)用提供了方便。

降壓斬波電路 反電動勢 連續(xù) 斷續(xù)

0 引言

降壓斬波電路也可稱為直流降壓變壓器，可以將一種直流電壓直接變成另外一種直流電壓，并且輸出電壓低于輸入電壓。它常用于模塊電源中[1]，特別在小功率場合應(yīng)用比較廣泛。除了模塊電源，它還常為直流電機提供直流電壓，因此研究負(fù)載為直流電動機負(fù)載時也非常有意義。由于降壓斬波電路在負(fù)載為直流電動機時，會出現(xiàn)輸出電流為斷續(xù)的情況，因此在電流出現(xiàn)斷續(xù)的臨界條件下，研究其電路參數(shù)取值問題成為熱點之一。本文對降壓斬波電路的輸出電流產(chǎn)生的連續(xù)和斷續(xù)現(xiàn)象進行了研究，并通過仿真軟件對其電流為連續(xù)和斷續(xù)的情況進行了比較分析。

2 降壓斬波電路工作原理介紹

降壓斬波電路的原理圖以及工作波形圖如圖1所示[2]，其中圖1(a)、(b)和(c)分別為其電路圖、電流連續(xù)時候的輸出波形以及電流斷續(xù)時的輸出波形。圖1(a)中為帶反電動勢的降壓斬波電路，出現(xiàn)反電動勢一般是其帶蓄電池負(fù)載或者拖動直流電動機的情況。圖1(a)中其中功率開關(guān)器件為全控型器件，為了在關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供續(xù)流通道，在負(fù)載兩端并聯(lián)了一個二極管VD。圖1(b)中輸出電流0為連續(xù)的情況，不會出現(xiàn)為零。圖1(c)中輸出電流0為斷續(xù)的情況，0出現(xiàn)為零的情況，電流斷續(xù)時，負(fù)載電壓0平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況，而且這個時間段負(fù)載上的輸出電壓0為m。

降壓斬波電路工作原理為：在=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓0=，負(fù)載電流0按指數(shù)曲線上升。當(dāng)=0時刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)VD續(xù)流，負(fù)載0接近零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)而且脈動小，通常使串聯(lián)的電感值較大?，F(xiàn)在對降壓斬波電路采用分時段線性思想進行分析，來研究輸出電流0連續(xù)和斷續(xù)的情況。在器件V處于通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為1，可列出如下方程：

(a) 電路圖

(b) 電流連續(xù)時的波形

(c) 電流斷續(xù)時的波形

圖 1 降壓斬波電路的電路圖和電路波形

設(shè)此階段電流初值為10，，解方程(1)可得：

在V處于斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為2，可列出如下方程：

(3)

設(shè)此階段電流初值為20，解方程(3)可得：

當(dāng)電流連續(xù)時，有：

(5)

聯(lián)立式(2)、(4)、(5)和(6)可得：

(7)

10和20分別為負(fù)載電流的瞬時最小值和最大值。

把式(7)和式(8)用泰勒級數(shù)近似，可得：

平波電抗器L為無窮大，此時負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。

假如負(fù)載中值較小，則有可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電流斷續(xù)時有10=0，且=on+t時，2=0，可以得出：

電流斷續(xù)時，t<t，由此得出電流斷續(xù)的條件為：

(11)

輸出電壓平均值為：

負(fù)載電流平均值為：

(13)

3 降壓斬波電路的建模與仿真

降壓斬波電路帶反電動勢負(fù)載在MATLAB/ Simulink的仿真模型如圖2所示，它主要包括在主要由兩個直流電源，功率開關(guān)管、續(xù)流二極管、電感以及一個電阻構(gòu)成。仿真結(jié)果如圖3所示[3]-[6]，其中圖3(a)為輸出電流為連續(xù)時的仿真波形，圖3(b)為輸出電流斷續(xù)情況的仿真波形。從圖3可以清晰的看出輸出電流連續(xù)時，輸出電壓值在功率管開通時一直為電源電壓，功率管關(guān)斷時輸出電壓為零。而當(dāng)輸出電流斷續(xù)時，輸出電壓在功率管開通時一直為電源電壓，功率管關(guān)斷時，如果輸出電流在下降時，輸出電壓為零，而輸出電流為零時，此時輸出電壓為反電動勢m，與圖1所示的理論分析完全一致。

圖2 仿真模型

(a) 輸出電流為連續(xù)時的仿真波形

(b) 輸出電流為斷續(xù)時的仿真波形

圖3 輸出仿真波形

4 結(jié)束語

本文對直流降壓斬波電路的輸出電流的連續(xù)和斷續(xù)的現(xiàn)象進行了研究，通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反電動勢m和電源電壓的比值m滿足一定條件時，或者通過改變電感值達到一定條件后電路輸出電流會發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象，最后通過仿真軟件對其進行了驗證。

[1] 劉聯(lián)會, 李玉魁. 通信電源[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社.

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Comparative Study on Continuous and Discontinuous Current of Buck Chopper Circuit

Wang Hua, XieYuanbao, Wu Zuo, Wang Jingru, Rong Jun

（Department of Information and Communication Engineering, Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China)

TM13

A

1003-4862（2017）05-0043-03

2016-11-10

王華（1997-），男，本科，研究方向：自動化。

榮軍(1978-)，男，碩士，研究方向，電力電子與電力傳動。