Buck斬波電路電流連續與電流斷續的比較研究

王 華，謝元寶，伍 祚，王靜茹，榮 軍

?

Buck斬波電路電流連續與電流斷續的比較研究

王 華，謝元寶，伍 祚，王靜茹，榮 軍

（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

對降壓斬波電路負載加反電動勢其電流在不同情況下發生的連續和斷續現象進行了研究。根據分段線性化思想，推斷出降壓斬波電路輸出電流在斷續情況下的條件，給出了其在電流斷續的計算公式，為其實際應用提供了方便。

降壓斬波電路 反電動勢 連續 斷續

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，因此研究負載為直流電動機負載時也非常有意義。由于降壓斬波電路在負載為直流電動機時，會出現輸出電流為斷續的情況，因此在電流出現斷續的臨界條件下，研究其電路參數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生的連續和斷續現象進行了研究，并通過仿真軟件對其電流為連續和斷續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、電流連續時候的輸出波形以及電流斷續時的輸出波形。圖1(a)中為帶反電動勢的降壓斬波電路，出現反電動勢一般是其帶蓄電池負載或者拖動直流電動機的情況。圖1(a)中其中功率開關器件為全控型器件，為了在關斷時給負載中電感電流提供續流通道，在負載兩端并聯了一個二極管VD。圖1(b)中輸出電流0為連續的情況，不會出現為零。圖1(c)中輸出電流0為斷續的情況，0出現為零的情況，電流斷續時，負載電壓0平均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續的情況，而且這個時間段負載上的輸出電壓0為m。

降壓斬波電路工作原理為：在=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓0=，負載電流0按指數曲線上升。當=0時刻，控制V關斷，負載電流經VD續流，負載0接近零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續而且脈動小，通常使串聯的電感值較大。現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連續和斷續的情況。在器件V處于通態期間，設負載電流為1，可列出如下方程：

(a) 電路圖

(b) 電流連續時的波形

(c) 電流斷續時的波形

圖 1 降壓斬波電路的電路圖和電路波形

設此階段電流初值為10，，解方程(1)可得：

在V處于斷態期間，設負載電流為2，可列出如下方程：

(3)

設此階段電流初值為20，解方程(3)可得：

當電流連續時，有：

(5)

聯立式(2)、(4)、(5)和(6)可得：

(7)

10和20分別為負載電流的瞬時最小值和最大值。

把式(7)和式(8)用泰勒級數近似，可得：

平波電抗器L為無窮大，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。

假如負載中值較小，則有可能出現負載電流斷續的情況。當電流斷續時有10=0，且=on+t時，2=0，可以得出：

電流斷續時，t<t，由此得出電流斷續的條件為：

(11)

輸出電壓平均值為：

負載電流平均值為：

(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，功率開關管、續流二極管、電感以及一個電阻構成。仿真結果如圖3所示[3]-[6]，其中圖3(a)為輸出電流為連續時的仿真波形，圖3(b)為輸出電流斷續情況的仿真波形。從圖3可以清晰的看出輸出電流連續時，輸出電壓值在功率管開通時一直為電源電壓，功率管關斷時輸出電壓為零。而當輸出電流斷續時，輸出電壓在功率管開通時一直為電源電壓，功率管關斷時，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) 輸出電流為連續時的仿真波形

(b) 輸出電流為斷續時的仿真波形

圖3 輸出仿真波形

4 結束語

本文對直流降壓斬波電路的輸出電流的連續和斷續的現象進行了研究，通過數學公式推導發現，當反電動勢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生斷續現象，最后通過仿真軟件對其進行了驗證。

[1] 劉聯會, 李玉魁. 通信電源[M]. 北京: 北京郵電大學出版社.

[2] 王兆安, 劉進軍.電力電子技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009.

[3] 王秀琴, 榮軍, 段丹, 等. 基于MATLAB的Buck DC/DC變換器的仿真研究[J]. 電子技術, 2015,(7): 5-7.

[4] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動控制系統MATLAB 的仿真[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[5] 張曉凡,榮軍,倪艷琴,等. 三種單相半波可控整流電路的比較研究[J]. 船電技術, 2016, 36(3): 1-5.

[6] 李真貴,胡楊昊,佘海湘,等. 三電平逆變器改進型SVPWM研究與實現[J].計算技術與自動化, 2014, 33(4): 49-54.

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。