斩波器

直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为DC/DC变换。

斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式,Ts(周期)不变,改变Ton(通用,Ton为开关每次接通的时间),二是频率调制方式,Ton不变,改变Ts(易产生干扰)。

其具体的电路由以下几类:

1、Buck电路:降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同。

2、Boost电路:升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同

3、Buck-Boost电路:降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相同,电感传输。

4、Cuk电路:降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,输出电压与输入电压极性相反,电容传输。

用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm^3,效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200-300)kHz,功率密度已达到27W/cm^3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。

直流斩波器通过利用功率组件对电压固定的电源做适当切割,改变负载端电压。若其输出电压较输入之电源电压低,则称为降压式(Buck )直流斩波器,若其输出电压较输入之电源电压高,则称为升压式(Boost)直流斩波器;如图1中(a)所示为直流斩波器基本电路图,图1中(b)所示为负载电压波形,可看出当直流斩波器导通(Ton)时,负载端之电压Vo等于电源电压Vs,当直流斩波器截止(Toff)时,负载端之电压Vo为0,如此适当的控制直流斩波器可使直流电源断续的出现在负载侧,只要控制直流斩波器的导通时间,即

可改变负载的平均电压。 由图1中(b)可看出输出电压之峰值等于电源电压Vs,而输出电压之平均值Vo随Ton之时间而变。而最常见之改变方式为

1、周期T固定,导通时间Ton改变,称脉波宽度调变(PUlse-width Modulation PWM)。
2、导通时间Ton固定,周期T改变,称频率调变(Frequency Modulation FM)。
3、周期T及导通时间Ton 同时改变,即波宽调变及频率调变混合使用。

在实际应用中,因直流斩波器常需在负载端接上滤波电感及滤波电容,若频率改变过大对电感及电容影响大,因此多数采用脉波宽度调变。

直流斩波器依负载电压及负载电流极性来区分可分为下列三种：

1、单象限直流斩波器。
2、两象限直流斩波器。
3、四象限直流斩波器。

如图2中(a)所示为单象限直流斩波器示意图,其负载电压及负载电流皆为正;如图2中(b)所示负载电压为正,负载电流有正有负称两象限直流斩波器;若负载电压有正有负,负载电流亦有正有负,称四象限直流斩波器如图2中(c)所示。本系统可依接线方式改变,达成上述三种直流斩波器。

A、直流电源供应器及设定单元。

B、直流PWM产生器EM5202-2C主要功能在产生PWM控制信号,所需之工作电源为±15V。

1、命令电压由I/P端输入,为0~10V(单象限),或-10V~+10V(四象限控制)。

2、三角波产生器:由频率选择开关可以选择1KHZ、10KHZ、15KHZ,而波型选择开关可选择三角波之大小,单象限控制时命令电压为0~10V,故选择大小为0- 10V之三角波,在四象限控制时命令电压为-10V~+10V,故选择大小为-10V~+10V之三角波。

3、反向器:将输入命令电压反向,在单象限控制时没有作用。

4、比较器:将命令电压与三角波信号相比较,便可得到输出脉波宽度随命令电压改变之PWM信号,单象限控制时PWM信号输出只接S1,四象限控制时PWM信号有两个S1及S3。

5、在四象限控制时当命令电压为正时,S1信号责任周期大于50%,S3 信号责任周期小于50%,两组信号互补但两者间有相位差,反之当命令电压为负时,S1信号责任周期小于50%,S3信号责任周期大于50%。

C、四组igbt驱动器EM5202-2D

主要功能在将输入控制信号放大以驱动IGBT。

1、所需之控制电源为110VAC。

2、控制信号为TTL位准由S1及S3输入,经反相及延迟控制S1产生T1及T2控制信号,S3产生T3及T4控制信号,上下臂间之DEAD-TIME约为3us,在单象限控制时只有T1 IGBT触发导通,此时应将信号选择开关应切到T1 ONLY。

3、四组控制信号送入电流限制器,当直流侧(DC BUS)电流过大,IDC输出变大,电流限制器动作LED亮,此时控制信号无法通过,IGBT暂时关闭,待输出电流下降后,IGBT又正常动作。

4、为使控制信号及高压之电源电路完全隔离,将控制信号先经光耦合电路隔离再送入驱动器,便可以达成。

5、隔离后之控制信号,经放大后驱动IGBT。

6、本系统提供一个霍尔电流传感器以方便使用者量测,输出为0.4V/A,表示当电流为1A时传感器输出电压为0.4V。

7、负载输出有三个端子,单象限控制只有T1动作,故输出端为L+及O/P1,四象限控制时输出端为O/P1及O/P2。

斩波器在工业自动化设备里有广泛使用,灵敏电子管电压表或生物电子仪器里也有使用。

斩波器的另一种又叫振动子变流器、工作原理和电铃类似,是体积、功率比较大,用八脚电子管插座。经常用于直流/交流变换。

过去因为均是电子管设备,由于甲、乙电的供应在移动设备中非常困难的,所以以前的汽车收音机和部分车载电台就用振动子将车上的蓄电池提供的电流变为交变电流,经过变压器升压和振动子同步变流为高压直流供收音机或电台使用(功率比较大的电台也有用汽车蓄电池推动电动发电机的)。

由于半导体变流器的成熟,振动子变流器早已数十年没见使用了。早期的摄影用万次闪光灯也用振动子变流器。