1、电 子 电 力 技 术 斩 波 的 应 用 及 其 重 要 性摘 要 ：电 力 电 子 电 路 的 基 本 作 用 是 进 行 电 能 的 变 换 与 控 制 ， 即 将 一 定 形 式 的 输 入 电 能 变 换成 另 外 一 种 形 式 的 电 能 输 出 ， 从 而 满 足 不 同 负 载 的 要 求 。 电 能 的 形 式 可 以 分 为 交 流 和 直流 两 种 类 型 ， 因 此 根 据 输 入 、 输 出 的 不 同 形 式 ， 可 将 电 力 电 子 电 路 分 为 四 大 类 型 ， 即AC DC 变 换 器 、 DC AC 变 换 器 、 DC DC 变 换 器 、 AC
2、AC 变 换 器 ， 本 文 主 要介 绍 其 中 的 DC DC 变 换 器 ， 有 时 也 称 为 直 流 斩 波 器 。 本 文 主 要 叙 述 了 斩 波 的 概 念 、基 本 原 理 、 电 路 原 理 以 及 它 的 应 用 。关 键 词 ： 斩 波 ； 斩 波 器 ； 降 压 式 变 换 器 ； 升 压 式 变 换 器前 言 ：斩 波 （ Chopper） ， 将 直 流 电 变 为 另 一 固 定 电 压 或 可 调 电 压 的 直 流 电 ， 也 称 为直 流 -直 流 变 换 器 （ DC/DC Converter） 。 一 般 指 直 接 将 直 流 电 变 为 另 一
3、直 流 电 ， 不包 括 直 流 交 流 直 流 。斩 波 简 介 ：直 流 斩 波 电 路 （ DC Chopper） 种 类 ： 有 6 种 基 本 斩 波 电 路 ： 降 压 斩 波 电 路 、 升 压 斩 波 电 路 、 升 降 压 斩 波 电 路 、 Cuk斩 波 电 路 、 Sepic 斩 波 电 路 和 Zeta 斩 波 电 路 。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
4、， 改 变Ts（ 易 产 生 干 扰 ） 。 一 、 斩 波 器 的 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 ； 当 直 流 斩 波器 导 通 (Ton)时 ， 负 载 端 之 电 压 Vo 等 于 电 源 电 压 V
5、s， 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 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
6、度 调 变 。 2.导通 时 间 Ton 固 定 ， 周 期 T 改 变 ， 称 频 率 调 变 。 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
7、波 器 。 2. 两 象 限 直 流 斩 波 器 。 3. 四 象 限 直 流 斩 波 器 。 (1 ) 最 基 本 的 斩 波 电 路 如 图 1 所 示 ， 斩 波 器 负 载 为 R。 当 开 关 S 合 上 时 ，UOUT=UR=UIN， 并 持 t1 时 间 。 当 开 关 切 断 时 UOUT UR 0， 并 持 续 莎 2 时 间 ，T t1 t2 为 斩 波 器 的 工 作 周 期 ， 斩 波 器 的 输 出 波 形 如 图 1（ b） 所 示 。 定 义 斩 波 器的 占 空 比 D t1 T， t1， 为 斩 波 器 导 通 时 间 ， T 为 通 断 周 期 。 通 常
8、斩 波 器 的 工 作 方式 有 两 种 ： 一 是 脉 宽 调 制 工 作 方 式 ， 即 维 持 t1 不 变 ， 改 变 T； 二 是 脉 频 调 制 工 作 方式 ， 即 维 持 T 不 变 ， 改 变 t1。 当 占 空 比 D 从 0 变 到 1 时 ， 输 出 电 压 的 平 均 值 从 零 变到 UIN， 其 等 效 电 阻 也 随 着 D 而 变 化 。图 1 降 压 斩 波 电 路 原 理（ 2） 降 压 式 变 换 器 ：如 图 2 所 示 的 直 流 变 换 器 在 使 用 时 的 输 出 纹 波 较 大 ， 为 降 低 输 出 纹 波 ， 可 在 输 出端 接 入 电
9、 感 L、 电 容 C， 如 图 2 所 示 。 图 中 的 VD1 为 续 流 二 极 管 。 降 压 （ Buck） 式变 换 器 的 输 出 电 压 平 均 值 UOUT 总 是 小 于 输 入 电 压 UIN。 电 路 中 通 过 电 感 的 电 流（ iL） 是 否 连 续 ， 取 决 于 开 关 频 率 、 滤 波 电 感 L 和 电 容 C 的 数 值 。图 2 降 压 式 （ Buck） 变 换 器当 电 路 工 作 频 率 较 高 时 ， 若 电 感 和 电 容 量 足 够 大 并 为 理 想 元 件 ， 则 电 路 进 入 稳 态后 ， 可 以 认 为 输 出 电 压 为
10、常 数 。 当 晶 体 管 VT1 导 通 时 ， 电 感 中 的 电 流 呈 线 性 上 升 ，因 而 有式 中 ， ton 为 晶 体 管 导 通 时 间 ； iOUT（ max） 为 输 出 电 流 的 最 大 值 ； iOUT（ min） 为 输 出 电流 的 最 小 值 ； ion 为 晶 体 管 导 通 时 间 内 的 输 出 电 流 变 量 。当 晶 体 管 截 止 时 ， 电 感 中 的 电 流 不 能 突 变 ， 电 感 上 的 感 应 电 动 势 使 二 极 管 导 通 ，这 时式 中 ， toff 为 晶 体 管 截 止 时 间 ； ioff 为 晶 体 管 截 止 时
11、间 内 的 输 出 电 流 变 量 。在 稳 态 时式 中 ， i 为 输 出 电 流 变 量 。因 为 电 感 滤 波 保 持 了 直 流 分 量 ， 消 除 了 谐 波 分 量 ， 故 输 出 电 流 平 均 值 为式 中 ， R 为 负 载 电 阻 。（ 3） 升 压 式 变 换 器图 3 为 升 压 式 DC DC 变 换 器 ， 它 由 功 率 晶 体 管 VT1、 储 能 电 感 L、 二 极 管VD1 及 滤 波 电 容 C 组 成 。 当 功 率 晶 体 管 导 通 时 ， 电 源 向 电 感 储 能 ， 电 感 电 流 增 加 ， 感应 电 动 势 为 左 正 右 负 ， 负
12、 载 Z 由 电 容 C 供 电 。 当 VT1 截 止 时 ， 电 感 电 流 减 小 ， 感 应电 动 势 为 左 负 右 正 ， 电 感 释 放 能 量 ， 与 输 人 电 压 一 起 顺 极 性 经 二 极 管 向 负 载 供 电 ， 并同 时 向 电 容 充 电 。 这 样 就 把 低 压 直 流 变 换 成 了 高 压 直 流 。 在 电 感 电 流 连 续 的 条 件 下 ，电 路 工 作 于 如 图 3（ b） 所 示 的 两 种 状 态 。图 3 升 压 式 （ Boost） DC DC 变 换 器 当 晶 体 管 导 通 、 二 极 管 截 止 （ 即 0tt1） 期 间
13、， t1 0 DT。 t 0 时 刻 ， VT1导 通 ， 电 感 中 的 电 流 按 直 线 规 律 上 升 ， UIN LI t1。 当 晶 体 管 由 导 通 变 为 截 止 （ 即 t1tT） 期 间 ， 电 感 电 流 不 能 突 变 ， 电 感 上 产 生 的感 应 电 动 势 会 迫 使 二 极 管 导 通 ， 此 时 则 式 中 ， I 为 输 入 电 流 变 量 。将 t1 DT， t2 （ 1 D） T 代 入 上 式 ， 则 求 得Boost DC DC 变 换 器 是 一 个 升 压 斩 波 器 。 当 D 从 0 趋 近 于 1 时 ， UOUT 从 UIN变 到 任
14、 意 大 。 同 理 可 求 得 输 入 电 流式 中 ， I 为 输 入 电 流 ； f 为 开 关 转 换 频 率 。若 忽 略 负 载 电 流 脉 动 ， 那 么 在 0， t1 期 间 ， 电 容 上 泄 放 的 电 荷 量 反 映 了 电 容峰 -峰 电 压 的 脉 动 量 ， 即 输 出 电 压 Uo 的 脉 动 量 。斩 波 的 应 用 及 重 要 性 ：直流斩波器是一种把一定形式的直流电压变换成负载所需的直流电压的变流装置。它通过周期性地快速开通、关断，把输入电压斩成一系列的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率可以调节输出电压的平均值，因此直流斩波器的基本作用是进行直流电压的变
15、换，即调压作用。 直流斩波器除了可以调节直流电压外，还可以进行调阻和调磁。由直流斩波器和一个固定电阻相并联，通过直流斩波器的斩波作用，可以调节并联等效电阻的阻值，这一过程称为调阻。若将直流斩波器串联在电机的励磁回路中，通过斩波作用调节励磁电流，从而调节电机的磁场大小，这一过程称为调磁。因此，直流斩波器具有调压、调阻和调磁的作用。由于直流斩波器具有调压、调磁等作用，因此它的应用领域之一是直流电机的调速。直流电机的转速取决于电枢电压及磁场的大小，通过直流斩波器的调压作用，可以调节电机的电枢电压，达到调速的目的。另外，通过直流斩波器的调磁作用，可以调节电机的磁场及励磁电流，也可以达到调速的目的。直流
16、电机调速在地铁、城市无轨电车、电动汽车等运输车辆上得到了广泛的应用。 直流斩波器的另一应用领域是直流供电电源。在各种应用场合中，不同用电设备所需要的直流供电电压的等级不同，采用直流斩波器可以将单一的、不稳定的直流输入电压变换成负载所需要的稳定的、不同电压等级的直流供电电压，因为直流斩波器工作在开关状态，因此这种类型的直流供电电源也称为开关电源。开关电源在计算机、通信等各个领域也得到了广泛的应用。 另外，由于直流斩波器的工作方式是把输入直流电压斩波成为高频脉冲电压，将此脉冲电压通过高频变压器隔离后再进行滤波，可以得到与输入电压相互隔离的直流输出电压，从而使直流斩波器应用在输入、输出之间需要隔离的场合中。 总之，直流斩波器广泛应用于直流电机调速、开关电源、直流电压隔离等各个领域中。参 考 文 献 ：自 己 搞 定
