斬波電路

斬波電路（又叫直流斬波電路）是指在電力運用中，出于某種需要，將正弦波的一部分“斬掉”。

（例如在電壓為50V的時候，用電子元件使后面的50~0V部分截止，輸出電壓為0.）后來借用到DC-DC開關電源中，主要是在開關電源調(diào)壓過程中，原來一條直線的電源，被線路“斬”成了一塊一塊的脈沖。將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DC Converter）。

占空比

是指在一個脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時間相對于總時間所占的比例。占空比（Duty Ratio）在電信領域中有如下含義：例如：脈沖寬度1μs，信號周期4μs的脈沖序列占空比為0.25。

占空比是指電路被接通的時間占整個電路工作周期的百分比。比如說，一個電路在它一個工作周期中有一半時間被接通了，那么它的占空比就是50%。如果加在該工作元件上的信號電壓為5V，則實際的工作電壓平均值或電壓有效值就是2.5V。假設該元件為一個電子閥門，當電路全時接通時，閥門全開；當占空比為50%時，閥門狀態(tài)為半開。同理，當占空比設置為20%時，閥門的開度顯然應該為20%。這樣，這個閥門就可以在0%（全閉）到100%（全開）的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

斬波電路的控制方式

固定頻率調(diào)脈寬，固定脈寬調(diào)頻率，調(diào)頻調(diào)寬

基于斬波電路的占空比最優(yōu)控制詳解

從占空比的角度體現(xiàn)電路特性。通過計算電路中各自的電壓、電流和功率關系，最終用占空比來體現(xiàn)這些要素的大小范圍與極值，并從占空比的角度分析比較各電子器件的電路性能。

1、降壓斬波電路

降壓斬波電路又稱Buck斬波電路，該電路的特點是輸出電壓比輸入電壓低，而輸出電流則高于輸入電流。即通過該電路的變換可將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為低于其值的輸出直流電壓，并實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。

圖1中T是開關器件，可根據(jù)應用需要選取不同的電力電子器件;L、C為濾波電感和電容，組成低通濾波器;R為負載;VD為iL續(xù)流二極管。當T斷開時，VD為提供續(xù)流通路;E為輸入直流電壓;U0為輸出電壓平均值。在此選用IGBT作為開關器件時，電路如圖1所示。

圖1 降壓斬波電路結構圖

根據(jù)電路中電感電流的連續(xù)情況，可將降壓斬波電路分為連續(xù)導電和不連續(xù)導電兩種工作模式，文中Ts為導通周期。

1.1、電感電流連續(xù)導電模式

連續(xù)導電模式對應電感電流恒》0的情形。設開關器件T的控制信號為UG。當UG為高電平時T導通，UG為低電平時T關斷。

電路的工作原理是：設電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時，使T導通，因二極管VD反向偏置，電感兩端電壓為uL=E-U0，且為正。此時，電源E通過電感L向負載傳遞能量，電感中的電流iL從I1線性增長至I2，儲能增加。在t=ton時刻，使T關斷，而iL不能突變，故iL將通過二極管VD續(xù)流，L儲能消耗在負載R上，iL線性衰減，儲能減少。此uL=-U0時，由于VD的單向?qū)щ娦裕琲L只能向一個方向流動，即總有iL≥0，從而在負載R上獲得單極性的直流電壓。選擇合適的電感電容值，并控制T周期性地開關，可控制輸出電壓平均值大小并使輸出電壓紋波在容許的范圍內(nèi)。顯然T導通時間愈長，傳遞到負載的能量則愈多，輸出電壓也就愈高。T導通和關斷時的工作波形如圖2所示。

圖2 降壓斬波電路工作波形圖

由圖2可知，電源電流只在T導通期間存在，設電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時，使T導通，因二極管VD反向偏置所以關斷，電感兩端電壓為UL，uL=E-U0且為正。此時，電源E通過電感L向負載傳遞能量，電感中的電流iL從I1線性增長至I2（此時ie=iL），儲能增加。

根據(jù)輸出功率的函數(shù)曲線可知，當D=0.5時P最大，這樣就能算出負載端降壓后的功率范圍0～E2Ts/8L，由此可為用戶提供了更好的電壓功率參數(shù)。

1.2、電感電流斷續(xù)模式

在電感電流連續(xù)導電模式下的整個開關周期Ts中，電感電流iL均》0，且介于I1與I2之間變化。電感電流斷續(xù)導電模式是指在開關器件T關斷的toff期間內(nèi)，電感電流iL已降為0，且保持一定時間，而電路有3工作狀態(tài)，即T導通，VD截止;T截止，VD導通。T、VD均截止，電感電流為0。電路的工作原理是：在t=0時，使T導通，情況與電流連續(xù)導電模式相同，電感中的電流iL線性增長至ILmax，儲能增加。在t=ton時刻，使T關斷，iL通過二極管VD續(xù)流。但在T的下一個導通周期到來前，iL已衰減到0，此時續(xù)流二極管VD也截止，當T和VD均截止時電感電流斷續(xù)導電模式的電壓電流波形如圖3所示。

圖3 電壓電流波形

當T導通時，電感電壓為

圖4 斷續(xù)時輸出功率與占空間比曲線圖

2、升壓斬波電路

圖5是升壓斬波電路。又稱Boost斬波電路，用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流輸出電壓，從而實現(xiàn)能量從低壓側電源向高壓側負載的傳遞。

圖5 升壓型斬波電路的括撲結構圖

2.1、電感電流連續(xù)導電模式

設開關器件T的控制信號為UG。當UG為高電平時T導通，UG為低電平時T關斷。T導通與關斷與降壓圖類似。

電路工作原理是：設電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0時，使T導通，二極管VD承受反壓而截止，電源電壓E全部加入電感L上，電感中的電流iL從I1線性增長至I2，且儲能增加;同時由電容C為負載R提供能量。

圖6 升壓斬波電路的工作波形圖

在t=ton時刻，使UG為低電平，T關斷，因電感電流不能突變，iL通過VD將存儲的能量提供給電容和負載，即電感儲能傳遞到電容、負載側。電感中的電流iL從I2線性減少至I1，儲能減少，其產(chǎn)生的感應電勢阻止電流減少，感應電勢UL0，故U0》E。T導通和關斷工況下各電量的工作波形如圖6所示。

從輸出功率表達式可看出，理想情況下輸出功率等于輸入功率，且輸出功率與占空比成正比，同樣的情況下占空比越大輸出功率則越大，輸出功率范圍0～E2Ts/2L。

2.2、電感電流斷續(xù)導電模式

當電路處于斷續(xù)工作狀態(tài)時，在開關管T關斷的toff期間內(nèi)，輸出電感電流iL已降為0，且保持到下一個周期開始。電路同樣有3種工作狀態(tài)，即T導通、VD截止;T截止、VD導通;T、VD均截止。電路的工作原理是：在t=0時，使T導通，情況與電流連續(xù)導電模式相同，電感中的電流iL線性增長至ILmax，儲能增加。在t=ton時刻，使T關斷，iL通過二極管VD同時給電容C充電和為負載R提供能量。但在T下一個導通周期

到來前，iL已衰減到0，從而出現(xiàn)電流的斷續(xù)現(xiàn)象，此時T、VD均截止。其電壓電流波形如圖7所示。

圖7 斷續(xù)狀態(tài)電壓電流波形圖

3、結束語

介紹了升降壓斬波電路的原理，通過計算從占空比的角度分析電路電壓電流和功率范圍，可發(fā)現(xiàn)占空比對電路功率等性能的的影響，從而體現(xiàn)占空比在電路中對各性能的最優(yōu)控制，并選擇合適的占空比對一個具體的電路從某種程度即對電路的優(yōu)化控制，這就相當于放大電路的輸出效果使輸出功能最佳。這僅是從一個角度研究器件性能的優(yōu)化，仍有眾多器件優(yōu)化問題尚待解決。可預計的是，隨著電力器件的研究與發(fā)展，其的性能會不斷提高，由此會產(chǎn)生更好的新器件，這為用戶在選擇電力電子器件時提供了更多的選擇。