基于斬波電路的占空比最優控制研究

摘要 文中以常見的斬波電路為研究對象，通過對電路的電流、電壓和功率要素的分析與計算，將各要素用占空比D表示，井從占空比的角度分析以上要素的極值與范圍，從而體現占空比對器件要素性能的最優控制及影響，為用戶在選擇電路器件時提供了更多的選擇。

關鍵詞 斬波電路;占空比;最優控制

電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新興學科。現階段的電力電子技術可理解為功率強大的功放器件，其與傳統的電子技術相比，改變了以往的發展模式，并有著諸多的優勢和功能：其不僅能通過功率較大的電流和承受高電壓，且可在大功率的情況下，較好地解決器件發熱、運行效率的問題。將電力電子通過開關器件的快速通、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，在一定的濾波條件下，在負載上可獲得平均值小于或大于電源的電壓或電流。若改變開關器件通、斷的動作頻率，或時間比例，則可改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實現輸出電壓和電流平均值的調節。

本文主要介紹基本斬波電路的工作原理和穩態工作特性，著重從占空比的角度體現電路特性。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換為低于其值的輸出直流電壓，并實現電能的轉換。

圖1中T是開關器件，可根據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續流二極管。當T斷開時，VD為提供續流通路;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。

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

1.1 電感電流連續導電模式

連續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：設電路已處于穩定工作狀態，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的單向導電性，iL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。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。

由圖2可知，電源電流只在T導通期間存在，設電路已處于穩定工作狀態，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。

根據輸出功率的函數曲線可知，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。

1.2 電感電流斷續模式

在電感電流連續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。電感電流斷續導電模式是指在開關器件T關斷的toff期間內，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，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續流。但在T的下一個導通周期到來前，iL已衰減到0，此時續流二極管VD也截止，當T和VD均截止時電感電流斷續導電模式的電壓電流波形如圖3所示。

當T導通時，電感電壓為

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，從而實現能量從低壓側電源向高壓側負載的傳遞。

2.1 電感電流連續導電模式

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：設電路已處于穩定工作狀態，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。

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 電感電流斷續導電模式

當電路處于斷續工作狀態時，在開關管T關斷的toff期間內，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，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，從而出現電流的斷續現象，此時T、VD均截止。其電壓電流波形如圖7所示。

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，可發現占空比對電路功率等性能的的影響，從而體現占空比在電路中對各性能的最優控制，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化，仍有眾多器件優化問題尚待解決?？深A計的是，隨著電力器件的研究與發展，其的性能會不斷提高，由此會產生更好的新器件，這為用戶在選擇電力電子器件時提供了更多的選擇。