直流斩波器工作原理

直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。
   
  二.基本原理
  直流斩波器乃利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载端电压改变之目的。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(a)所示为直流斩波器基本电路图，图1(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测，只要控制直流斩波器的导通时间，即
  
  图1.1直流斩波器基本原理
  可改变负载的平均电压。
  由图1.1(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)。

  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1.2(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1.2(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1.2(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。
   
   
   
   
  图1.2三种基本直流斩波器
   
  三.模块说明
  A. 直流电源供应器及设定单元请参考本公司电力电子实习手册。
  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%。
  
   图3直流PWM产生器说明图
  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。

   
   图4 四组IGBT驱动器说明图