基于斩波电路的占空比最优控制研究

 摘要 文中以常见的斩波电路为研究对象，通过对电路的电流、电压和功率要素的分析与计算，将各要素用占空比D表示，井从占空比的角度分析以上要素的极值与范围，从而体现占空比对器件要素性能的最优控制及影响，为用户在选择电路器件时提供了更多的选择。

关键词 斩波电路;占空比;最优控制

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。现阶段的电力电子技术可理解为功率强大的功放器件，其与传统的电子技术相比，改变了以往的发展模式，并有着诸多的优势和功能：其不仅能通过功率较大的电流和承受高电压，且可在大功率的情况下，较好地解决器件发热、运行效率的问题。将电力电子通过开关器件的快速通、断控制把恒定的直流电压或电流斩切成一系列的脉冲电压或电流，在一定的滤波条件下，在负载上可获得平均值小于或大于电源的电压或电流。若改变开关器件通、断的动作频率，或时间比例，则可改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压和电流平均值的调节。

本文主要介绍基本斩波电路的工作原理和稳态工作特性，着重从占空比的角度体现电路特性。通过计算电路中各自的电压、电流和功率关系，最终用占空比来体现这些要素的大小范围与极值，并从占空比的角度分析比较各电子器件的电路性能。

1 降压斩波电路

降压斩波电路又称Buck斩波电路，该电路的特点是输出电压比输入电压低，而输出电流则高于输入电流。即通过该电路的变换可将直流电源电压转换为低于其值的输出直流电压，并实现电能的转换。

图1中T是开关器件，可根据应用需要选取不同的电力电子器件;L、C为滤波电感和电容，组成低通滤波器;R为负载;VD为iL续流二极管。当T断开时，VD为提供续流通路;E为输入直流电压;U0为输出电压平均值。在此选用IGBT作为开关器件时，电路如图1所示。

根据电路中电感电流的连续情况，可将降压斩波电路分为连续导电和不连续导电两种工作模式，文中Ts为导通周期。

1.1 电感电流连续导电模式

连续导电模式对应电感电流恒>0的情形。设开关器件T的控制信号为UG。当UG为高电平时T导通，UG为低电平时T关断。

电路的工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在t=0时，使T导通，因二极管VD反向偏置，电感两端电压为uL=E-U0，且为正。此时，电源E通过电感L向负载传递能量，电感中的电流iL从I1线性增长至I2，储能增加。在t=ton时刻，使T关断，而iL不能突变，故iL将通过二极管VD续流，L储能消耗在负载R上，iL线性衰减，储能减少。此uL=-U0时，由于VD的单向导电性，iL只能向一个方向流动，即总有iL≥0，从而在负载R上获得单极性的直流电压。选择合适的电感电容值，并控制T周期性地开关，可控制输出电压平均值大小并使输出电压纹波在容许的范围内。显然T导通时间愈长，传递到负载的能量则愈多，输出电压也就愈高。T导通和关断时的工作波形如图2所示。

由图2可知，电源电流只在T导通期间存在，设电路已处于稳定工作状态，在t=0时，使T导通，因二极管VD反向偏置所以关断，电感两端电压为UL，uL=E-U0且为正。此时，电源E通过电感L向负载传递能量，电感中的电流iL从I1线性增长至I2(此时ie=iL)，储能增加。

根据输出功率的函数曲线可知，当D=0.5时P最大，这样就能算出负载端降压后的功率范围0～E2Ts/8L，由此可为用户提供了更好的电压功率参数。

1.2 电感电流断续模式

在电感电流连续导电模式下的整个开关周期Ts中，电感电流iL均>0，且介于I1与I2之间变化。电感电流断续导电模式是指在开关器件T关断的toff期间内，电感电流iL已降为0，且保持一定时间，而电路有3工作状态，即T导通，VD截止;T截止，VD导通。T、VD均截止，电感电流为0。电路的工作原理是：在t=0时，使T导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流iL线性增长至ILmax，储能增加。在t=ton时刻，使T关断，iL通过二极管VD续流。但在T的下一个导通周期到来前，iL已衰减到0，此时续流二极管VD也截止，当T和VD均截止时电感电流断续导电模式的电压电流波形如图3所示。

当T导通时，电感电压为

2 升压斩波电路

图5是升压斩波电路。又称Boost斩波电路，用于将直流电源电压变换为高于其值的直流输出电压，从而实现能量从低压侧电源向高压侧负载的传递。

2.1 电感电流连续导电模式

设开关器件T的控制信号为UG。当UG为高电平时T导通，UG为低电平时T关断。T导通与关断与降压图类似。

电路工作原理是：设电路已处于稳定工作状态，在t=0时，使T导通，二极管VD承受反压而截止，电源电压E全部加入电感L上，电感中的电流iL从I1线性增长至I2，且储能增加;同时由电容C为负载R提供能量。

在t=ton时刻，使UG为低电平，T关断，因电感电流不能突变，iL通过VD将存储的能量提供给电容和负载，即电感储能传递到电容、负载侧。电感中的电流iL从I2线性减少至I1，储能减少，其产生的感应电势阻止电流减少，感应电势UL<0，故U0>E。T导通和关断工况下各电量的工作波形如图6所示。

从输出功率表达式可看出，理想情况下输出功率等于输入功率，且输出功率与占空比成正比，同样的情况下占空比越大输出功率则越大，输出功率范围0～E2Ts/2L。

2.2 电感电流断续导电模式

当电路处于断续工作状态时，在开关管T关断的toff期间内，输出电感电流iL已降为0，且保持到下一个周期开始。电路同样有3种工作状态，即T导通、VD截止;T截止、VD导通;T、VD均截止。电路的工作原理是：在t=0时，使T导通，情况与电流连续导电模式相同，电感中的电流iL线性增长至ILmax，储能增加。在t=ton时刻，使T关断，iL通过二极管VD同时给电容C充电和为负载R提供能量。但在T下一个导通周期

到来前，iL已衰减到0，从而出现电流的断续现象，此时T、VD均截止。其电压电流波形如图7所示。

3 结束语

介绍了升降压斩波电路的原理，通过计算从占空比的角度分析电路电压电流和功率范围，可发现占空比对电路功率等性能的的影响，从而体现占空比在电路中对各性能的最优控制，并选择合适的占空比对一个具体的电路从某种程度即对电路的优化控制，这就相当于放大电路的输出效果使输出功能最佳。这仅是从一个角度研究器件性能的优化，仍有众多器件优化问题尚待解决。可预计的是，随着电力器件的研究与发展，其的性能会不断提高，由此会产生更好的新器件，这为用户在选择电力电子器件时提供了更多的选择。