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电力电子 - 斩波器

斩波器使用高速连接和断开源负载。通过连续触发电源开关的开/关，将固定直流电压间歇性地施加到源负载。电源开关保持开启或关闭的时间分别称为斩波器的开启和关闭状态时间。

斩波器主要应用于电动汽车、风能和太阳能转换以及直流电机调节器。

斩波器的符号

斩波器的分类

根据电压输出，斩波器分为 −

• 升压斩波器（升压转换器）
• 降压斩波器（降压转换器）
• 升降压斩波器（降压-升压转换器）

升压斩波器

平均电压输出升压斩波器中的电压 (V_o) 大于电压输入 (V_s)。下图显示了升压斩波器的配置。

电流和电压波形

当斩波器开启时，V₀（平均电压输出）为正，当斩波器关闭时，V₀为负，如下图所示。

其中

T_ON – 斩波器开启时的时间间隔

T_OFF – 斩波器关闭时的时间间隔OFF

V_L – 负载电压

V_s – 源电压

T – 斩波时间周期 = T_ON + T_OFF

V_o 由 −

给出 $$V_{0}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T_{ON}}V_{S}dt$$

当斩波器 (CH) 开启时，负载短路，因此，T_ON 期间的电压输出为零。此外，电感器在此期间充电。这使得 V_S = V_L

$L\frac{di}{dt}=V_{S},$ $\frac{\Delta i}{T_{ON}}=\frac{V_{S}}{L}$

因此，$\Delta i=\frac{V_{S}}{L}T_{ON}$

Δi = 是电感峰峰值电流。当斩波器 (CH) 处于关闭状态时，通过电感器 L 发生放电。因此，V_s 和 V_L 的总和如下 −

$V_{0}=V_{S}+V_{L},\quad V_{L}=V_{0}-V_{S}$

但 $L\frac{di}{dt}=V_{0}-V_{S}$

因此，$L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=V_{0}-V_{S}$

这给出，$\Delta i=\frac{V_{0}-V_{S}}{L}T_{OFF}$

将 ON 状态的 Δi 等于 OFF 状态的 Δi 可得出 −

$\frac{V_{S}}{L}T_{ON}=\frac{V_{0}-V_{S}}{L}T_{OFF}$, $V_{S}\left ( T_{ON}+T_{OFF} ight )=V_{0}T_{OFF}$

$V_{0}=\frac{TV_{S}}{T_{OFF}}=\frac{V_{S}}{\frac{\left ( T+T_{ON} ight )}{T}}$

这给出的平均电压输出为，

$$V_{0}=\frac{V_{S}}{1-D}$$

上述等式表明，V_o 可以从 V_S 变化到无穷大。这证明输出电压将始终大于电压输入，因此，它会提升或增加电压水平。

降压斩波器

这也称为降压转换器。在此斩波器中，平均电压输出 V_O 小于输入电压 V_S。当斩波器开启时，V_O = V_S，当斩波器关闭时，V_O = 0

当斩波器开启时 −

$V_{S}=\left ( V_{L}+V_{0} ight ),\quad V_{L}=V_{S}-V_{0},\quad L\frac{di}{dt}=V_{S}-V_{0},\quad L\frac{\Delta i}{T_{ON}}=V_{s}+V_{0}$

因此，峰峰值电流负载由下式给出：

$\Delta i=\frac{V_{s}-V_{0}}{L}T_{ON}$

电路图

其中 FD 为续流二极管。

当斩波器关闭时，电感器上发生极性反转和放电。电流通过续流二极管和电感器流向负载。这给出了，

$$L\frac{di}{dt}=V_{0}........................................\left ( i ight )$$

重写为 −$\quad L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=V_{0}$

$$\Delta i=V_{0}\frac{T_{OFF}}{L}...................................\left ( ii ight )$$

将方程 (i) 和 (ii) 相等可得出；

$\frac{V_{S}-V_{0}}{L}T_{ON}=\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}$

$\frac{V_{S}-V_{0}}{V_{0}}=\frac{T_{OFF}}{T_{ON}}$

$\frac{V_{S}}{V_{0}}=\frac{T_{ON}-T_{OFF}}{T_{ON}}$

上述等式得出；

$$V_{0}=\frac{T_{ON}}{T}V_{S}=DV_{S}$$

等式 (i) 得出 −

$\Delta i=\frac{V_{S}-DV_{S}}{L}DT$，来自 $D=\frac{T_{ON}}{T}$

$=\frac{V_{S}-\left ( 1-D ight )D}{Lf}$

$f=\frac{1}{T}=$斩波频率

电流和电压波形

电流和电压波形如下所示 −

对于降压斩波器，电压输出始终小于电压输入。以下波形显示了这一点。

升压/降压斩波器

这也称为降压-升压转换器。它可以增加或减少电压输入水平。下图显示了降压-升压斩波器。

当斩波器开启时，电感器 L 由源电压 V_s 充电。因此，V_s = V_L。

$$L\frac{di}{dt}=V_{S}$$ $$\Delta i=\frac{V_{S}}{L}T_{ON}=\frac{V_{S}}{L}T\frac{T_{ON}}{T}=\frac{DV_{S}}{Lf}$$

因为 −

$D=\frac{T_{ON}}{T}$ 和 $f=\frac{1}{T} .............................................. \left ( iii ight )$

当斩波器关闭时，电感器的极性反转，这会导致它通过二极管和负载放电。

因此，

$$V_{0}=-V_{L}$$ $$L\frac{di}{dt}=-V_{0}$$

$L\frac{\Delta i}{T_{OFF}}=-V_{0}$，因此 $\Delta i=-\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}................................\left ( iv ight )$

评估方程 (iii) 和 (iv) 可得出−

$\frac{DV_{S}}{Lf}=-\frac{V_{0}}{L}T_{OFF}$, $DV_{S}=-DV_{S}=-V_{0}T_{OFF}f$

$DV_{S}=-V_{0}\frac{T-T_{ON}}{T}=-V_{0}\left ( 1-\frac{T_{ON}}{T} ight )$, $V_{0}=-\frac{DV_{S}}{1-D}$

因为 $D=\frac{T_{ON}}{T}=\frac{T-T_{OFF}}{1-D}$

由此得出，

$V_{0}=\frac{DV_{S}}{1-D}$

D 可以从 0 变化到 1。当 D = 0 时；V_O = 0

当 D = 0.5 时，V_O = V_S

当 D = 1 时，V_O = ∞。

因此，在区间 0 ≤ D ≤ 0.5 时，输出电压在 0 ≤ V_O < V_S 范围内变化，我们得到降压或降压操作。而在 0.5 ≤ D ≤ 1 的区间内，输出电压在 V_S ≤ V_O ≤ ∞ 范围内变化，我们得到升压或升压操作。

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