六種斬波電路原理分析

斬波電路（又叫直流斬波電路）是指在電力運(yùn)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(shí)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(guān)電源中，主要是在開關(guān)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/DCConverter）。

直流斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流裝置，亦稱直流斬波器或DC/DC變換器。用斬波器實(shí)現(xiàn)直流變換的基本思想是通過對電力電子開關(guān)器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一定濾波的條件下，在負(fù)載上可以獲得平均值可小于或大于電源的電壓或電流。如果改變開關(guān)器件通、斷的動(dòng)作頻率，或改變開關(guān)器件通、斷的時(shí)間比例，就可以改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流平均值的調(diào)節(jié)

目前，斬波器廣泛用于電力牽引。例如地鐵、電力機(jī)車、無軌電車和電 瓶搬運(yùn)車等直流電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速上。與傳統(tǒng)的在電路中串電阻調(diào)壓的方法 相比，不僅有較好的起動(dòng)、制動(dòng)特性，而且省去體積大的直流接觸器和耗電 大的變阻器，電能損耗也大大減少。

當(dāng)晶閘管VTH導(dǎo)通時(shí)，加到負(fù)載上的電壓UL= E，VTH關(guān)斷時(shí)則為零。如果令周期為Te，則負(fù)載上的平均電壓為

式中 te——晶閘管VTH導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。從上式可知，欲改變負(fù)載上的直流平均電壓UL，有兩種方法：①周期 Te為常數(shù)，改變te，叫脈寬調(diào)制法，即定頻調(diào)寬式;②te為常數(shù)，改變周 期Te的大小，叫頻率控制法，即定寬調(diào)頻式。

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六種斬波電路原理分析

1、降壓斬波電路

圖1：降壓斬波電路（Buck Chopper）原理圖及波形圖

如上圖1：降壓斬波電路原理圖及波形圖所示，圖中V為全控型器件，選用IGBT;D為續(xù)流二極管。由圖1中V的柵極電壓波形UGE可知，當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源Ui向負(fù)載供電，UD=Ui。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為：

式中ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū龋é?ton/T）。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比α，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。

2、升壓斬波電路

圖2：升壓斬波電路（Boost Chopper）原理圖及波形圖

如上圖2：升壓斬波電路原理圖及波形圖所示，電路也使用一個(gè)全控型器件V。由圖2中V的柵極電壓波形UGE可知，當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源Ui向電感L1充電，充電電流基本恒定為I1，同時(shí)電容C1上的電壓向負(fù)載供電，因C1值很大，基本保持輸出電壓UO為恒值。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段電感L1上積蓄的能量為Ui*I1*ton。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)Ui和L1共同向電容C1充電，并向負(fù)載提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時(shí)間為toff，則在此期間電感L1釋放的能量為（UO-Ui）*I1*toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L1積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

上式中的T/toff≥1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

3、升降壓斬波電路

圖3：升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）原理圖及波形圖

如上圖3：升降壓斬波電路原理圖及波形圖所示，電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源Ui經(jīng)V向電感L1供電使其貯存能量，同時(shí)C1維持輸出電壓UO基本恒定并向負(fù)載供電。此后，V關(guān)斷，電感L1中貯存的能量向負(fù)載釋放?？梢?，負(fù)載電壓為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。輸出電壓為：

若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0《α《1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2《α《1時(shí)為升壓

4、Cuk斬波電路

圖4：Cuk斬波電路原理圖

如上圖4：Cuk斬波電路原理圖所示，電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，Ui—L1—V回路和負(fù)載R—L2—C2—V回路分別流過電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，Ui—L1—C2—D回路和負(fù)載R—L2—D回路分別流過電流，輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。輸出電壓為：

若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0《α《1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2《α《1時(shí)為升壓。

5、Sepic斬波電路

圖5：Sepic斬波電路原理圖

如上圖5：Sepic斬波電路：原理圖所示，電路的基本工作原理是：可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同時(shí)導(dǎo)電，此階段Ui和L1既向R供電，同時(shí)也向C2充電，C2貯存的能量在V處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。輸出電壓為：

若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0《α《1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2《α《1時(shí)為升壓。

6、Zeta斬波電路

圖6：Zeta斬波電路原理圖

如上圖6所示：Zeta斬波電路原理圖所示，電路的基本工作原理是：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源Ui經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。當(dāng)V處于斷態(tài)后，L1經(jīng)D與C2構(gòu)成振蕩回路，其貯存的能量轉(zhuǎn)至C2，至振蕩回路電流過零，L1上的能量全部轉(zhuǎn)移至C2上之后，D關(guān)斷，C2經(jīng)L2向負(fù)載R供電。輸出電壓為：

若改變導(dǎo)通比α，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0《α《1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2《α《1時(shí)為升壓。