斩波器选型全指南：类型分类与应用场景详解

关于斩波器类型，大多数电力电子应用中的开关元件要么完全关断，要么完全导通，因此损耗通常较低，电路效率高。但供给负载的电流可能不连续，这就需要提供高开关频率或平滑滤波以获得更好效果。此时，斩波器可用于稳定电路系统。

本文将基于换流过程等特征讨论斩波器的分类。

1. 什么是斩波电路？

斩波器（或称直流等效的交流变压器）是一种半导体电气器件。其功能是将固定直流输入电压(V_s)转换为可变直流功率或输出电压/V_o。直流输出值可低于电源电压，也可高于输入电压。

2. 斩波器如何工作？

通常，斩波电路包含负载、电阻和半导体二极管，如下图所示。

斩波器电路图

它高速运行以连接电源与负载，再将负载从电源断开。根据图示，工作原理可总结为：

• 开关SW即斩波器，高速下可作为导通或关断开关。因此可从电源V_s连接或断开负载。电路周期性通断最终控制输出电压。
• 导通时源电压等于负载电压；关断时负载电压等于零。

3. 斩波器类型

我们按特征对斩波器分类如下：

基于工作原理

工作原理是分类斩波器的最佳方式，主要有两类：

交流环节斩波器

此类存在电压反转：逆变器将直流电压转为交流电压，经升/降压变压器后，整流器将变压器输出转回直流。

直流斩波器

直流斩波器相当于直流电压的升/降压变压器，可将恒定直流电压转换为更低或更高值，取决于类型。

基于换流过程

自然换流斩波器

工作于交流电路，电源来自交流源。当SCR或晶闸管跨越负电压时关断。

强制换流斩波器

工作于直流电路。通过降低SCR电流至阈值以下或反向偏置SCR实现换流。例子有摩根斩波器和琼斯斩波器。

基于开关时刻功率损耗

硬开关斩波器

硬开关斩波电路利用其固有能力工作。

软开关斩波器

软开关斩波器利用LC谐振电路在零电压或零电流时导通或关断器件。

基于输出电压值

此分类基于输出电压：

升压/Boost斩波器

源电压低于平均直流输出电压(V_o ˃ V_s)，功率从负载流向电源。负载电流具感性且有电动势源。

降压斩波器

源电压高于平均直流输出电压(V_s ˃ V_o)，功率从电源流向负载。

基于象限操作分类

斩波电路作为半导体静态器件限制电流流向。但可修改其在四个象限的操作，衍生出五种斩波器类型。

四个斩波器象限

A类斩波器/第一类斩波器

仅工作在第一象限，负载电压(V_O)和负载电流(i_O)均为正。功率从电源传向负载，如降压斩波器。

B类斩波器/第二类斩波器

工作在第二象限，负载电流为负而输出电压为正。负载电流(i_o)为负，功率从负载传向电源，如升压斩波电路。

C类斩波器/两象限A类斩波器/第三类斩波器

并联B类和A类斩波器得到C类，工作在第一或二象限。第一象限作降压斩波器，第二象限作升压斩波器。

D类斩波器/两象限B类斩波器/第四类斩波器

工作在第一和第四象限，可双向传输功率。可反转平均直流输出电压，但负载电流方向不可逆。

E类斩波器/第五类斩波器

通用斩波器，可在四个象限工作。需四个二极管和四个斩波器/四个半导体开关构成。需要感性负载，且第三、四象限需负载电动势极性反转。

斩波器的应用

斩波电路可用于以下应用：

• 电池充电
• 直流电压升压
• 开关电容滤波器
• 照明与灯光控制
• 驱动执行器中的无刷转矩/步进电机

步进电机

• 变频驱动
• 信号处理系统
• 飞机与航天器
• 直流电机调速控制器
• 铁路牵引系统
• 太阳能转换
• 电池驱动电动汽车
• 开关模式电源系统（如DC-DC变换器）
• D类电子功放

总结

多个技术行业正采用斩波器用于快速运输系统。斩波电路具有高效率、快速响应、再生能力和平滑控制特性。有时也可在斩波器中使用功率半导体器件，如IGBT和强制换流晶闸管。

今天的内容到此结束，希望您对斩波器有所收获。如有疑问或咨询，欢迎联系我们共同探讨。