斬波電路

直流斬波電路是一種將電壓恆定的直流電變換為電壓可調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。用斬波器實現直流變換的基本思想是通過對電力電子開關器件的快速通、斷控制把恆定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈衝電壓或電流，在一定濾波的條件下，在負載上可以獲得平均值可小於或大於電源的電壓或電流。如果改變開關器件通、斷的動作頻率，或改變開關器件通、斷的時間比例，就可以改變這一脈衝序列的脈衝寬度，以實現輸出電壓、電流平均值的調節

目前，斬波器廣泛用於電力牽引。例如地鐵、電力機車、無軌電車和電 瓶搬運車等直流電動機的無級調速上。與傳統的在電路中串電阻調壓的方法 相比，不僅有較好的起動、制動特性，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。 ^[1] 

當晶閘管VTH導通時，加到負載上的電壓U_L= E，VTH關斷時則為零。如果令週期為T_e，則負載上的平均電壓為

式中 t_e——晶閘管VTH導通持續時間。

從上式可知，欲改變負載上的直流平均電壓U_L，有兩種方法：

①週期 T_e為常數，改變t_e，叫脈寬調製法，即定頻調寬式;

②t_e為常數，改變周 期T_e的大小，叫頻率控制法，即定寬調頻式。

早在1940年德國人採用機械開關通斷的思想來調節直流電壓以控制直流電動機的轉速，1960年美國人把晶體管斬波器用於控制柴油發電機的勵磁系統，1963年德國人把晶閘管斬波器用於控制蓄電池車。早期主要應用於城市電車，地鐵、電動汽車等直流牽引調速控制系統中。隨着自關斷電力電子開關器件和脈寬調製(PulseWidthModulation—PWM)技術的不斷髮展，直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等顯著優點，廣泛應用於開關電源、有源功率因數校正、超導儲能等新技術領域。一般來説，直流斬波電路有兩類不同的應用領域：一類負載是要求輸出電壓可在一定範圍內調節控制，即要求電路輸出可變的直流電壓，例如直流電動機負載，為了改變其轉速，要求可變的直流電壓供電；另一類負載則要求無論在電源電壓變化或負載變化時，電路的輸出電壓都能維持恆定不變，即輸出一個恆定的直流電壓，如開關電源等。這兩種不同的要求均可通過一定類型的控制系統根據反饋控制原理實現。 ^[2] 

6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。 　複合斬波電路——不同結構基本斬波電路組合。 　多相多重斬波電路——相同結構基本斬波電路組合。 ^[3] 

斬波器的工作方式有兩種： ^[4] 

一是脈寬調製方式，Ts（週期）不變，改變Ton（通用，Ton為開關每次接通的時間）。

二是頻率調製方式，Ton不變，改變Ts（易產生干擾）。

直流斬波電路的種類較多，根據其電路結構及功能分類，主要有以下4種基本類型：降壓(Buck)斬波電路、升壓(Boost)斬波電路、升降壓(Buck-Boost)斬波電路、丘克(Cuk)斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，後兩種是前兩種基本電路的組合形式。由基本斬波電路衍生出來的Sepic斬波電路和Zeta斬波電路也是較為典型的電路。利用基本斬波電路進行組合，還可以構成複合斬波電路和多相多重斬波電路。

1、Buck電路：降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小於輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同。

2、Boost電路：升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大於輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同

3、Buck-Boost電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大於或小於輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電感傳輸。

4、Cuk電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大於或小於輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，電容傳輸 ^[1]  。

如圖2所示：(a)升降壓斬波電路; (b) Cuk斬波電路; (c) Sepic斬波電路;(d) Zeta斬波電路

當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍，美國VICOR公司設計製造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6、2、10、17)W/cm^3，效率為(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種採用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為(200-300)kHz，功率密度已達到27W/cm^3，採用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二極管)，使電路整體效率提高到90%。 ^[1] 

從原理上講，有源功率因數校正可以採用任一種直流斬波電路的拓撲結構，如Buck 、Boost、Sepic及Cuk等。下面以Boost電路為例，介紹採用峯值電流控制方法實現的有源功率因數校正（PFC）的工作原理。主電路由單相橋式整流器和Boos斬波電路組成，虛線框內為PWM控制電路，包括：電壓誤差放大器，電流誤差放大器，乘法器，PWM發生器與驅動等，負載可以是電阻、阻感或是一個開關電源等。 ^[5] 

PFC的工作原理如下：給定的參考電壓Uref與經檢測電路變換的輸出電壓Uo比較後，輸入給電壓誤差放大；整流電壓ud的檢測值與電壓誤差放大器的輸出信號共同加到乘法器的輸入端，乘法器的輸出則作為電流反饋控制的參考信號，與輸入電流檢測值比較後，產生PWM信號，經放大和隔離為IGBT提供柵極驅動信號，以控制開關器件T的通斷，從而使輸入電流(即電感電流)iL的波形與整流電壓ud的波形基本保持一致，從而提高了輸入端的功率因數。

在大多中小容量的直流調速控制系統中，一般採用調節直流電動機電樞電壓達到調速目的。常用的調速方案有兩種：一是採用可控整流電路（如晶閘管整流電路）得到可以調節的直流電壓供給電動機；另一種則是用不可控整流電路得到恆定的直流電壓，再通過直流斬波的方式進行調壓。