四象限斩波器原理

四象限斩波器电路
  具晶体管开关的四象限斩波器示于图1中，各晶体管上跨接一隋性二极管，并有制止电路以限制电压的上升速率，图1中并无制止电路。
  负载为电阻、电感和感应电动势所构成，电源为直流且跨接一电容来维持定电压，晶体管的基极电路为独立而晶体管的输出为放大的控制讯号，为了简单起见，假设切换组件为理想，所以可用基极驱动讯号来描述负载电压。
  
   图1 四象限斩波器电路
  第一象限运转对应于正输出电压和正输出电流，亦即将图2中的T1和T2同时触发导通，此时负载电压等于源电压，将T1或T2截止负载电压就为零。
  假设T1为截止，在功率切换组件及电感中的电流势必减小，此时在电感上会感应极性与负载感应电动势相反的电压（大小与电流的下降速率成正比），使二极管D4变为顺偏因而提供电枢电流得以继续流通的路径，此时的电路如图3所示，负载为短路使得负载电压为零。连续电流导通和不连续电流导通的电流及电压波形示于图4中。
  
  图2 负载正电压及正向电流
  
   图3 负载电压为零的第一象限运转
  
  
  
   图4 第一象限运转的电压和电流波形
  注意，在不连续电流导通模式，负载的感应电动势于电流为零时跨于负载上，故负载电压的波形为步级。这种运转即顺时针方向的电动机作用，称为顺向电动机作用（forward motoring），平均输出电压在0至Vs之间变化而责任周期的范围在 0到1之间。
  另有其它的切换策略可改变输出电压，假设电枢电流为连续，不必在截止时间内使负载电压为零，而将T1和T2同时截止来使D3和D4导通，跨于负载的电压就等于负的电源电压，平均输出电压就可降低，这种策略的缺点为：
  (1) 切换损失加倍，因为有两功率组件同时截止。
  (2) 跨于负载上电压的变化率为另一种策略的两倍。若负载为直流机，则在绝缘的介电损失变大而降低寿命。注意，电介体为串联的电容与电阻。
  (3) 负载电流的变化率大，使得直流机的电枢振动。
  (4) 在每一切换周期中部分能量在负载与电源间流动，所以切换谐波电流大，在负载及连接电源和换流器的缆线形成额外的损失。
  第二象限运转对应于正负载电流和负的负载电压，假设负载的电动势为负，考虑T1或T2于某一时间为导通，将导通的晶体管截止，电感中的电流继续流通直到能量消耗殆尽， D3和D4现在接手以维持负载电流于同一方向，但此时负载电压为负，见图5所示的电路，电压和电流波形则示于图6中。
  当D3和D4导通时电源接收来自负载的功率，若电流无法吸收功率，就要安排其它方式来消耗功率，此时可控制与电阻器串联之晶体管的on 时间，定期将滤波电容器的过量电荷倾倒于与电源并联的电阻器，这种能量回收方式称为再生制动（常见于小马力电动机驱动，因为节省的能量并不可观），负载电流下降时T2导通，于是负载经 T2和D4短路，使负载电流上升，T2的截止产生电流脉波经由D3和D4 流至电源，这种运转注入电流且电感可由负载的电动势取得能量，于是能量可由负载转移至电源，甚至E的大小值小于Vs时能量仍能由负载转移至电源，这种特点有时称为直流至直流供电的增大运转（boost operation），使用T1亦可注入负载电流。
  第三象限运转为负电流与负电压，在负载中假设负电动势－E，T3和T4的导通使负载电流增加，两者之一截止时将负载短路使负载电流减小，如此一来可控制负载电流在设定的范围内，在切换瞬间的电路如图7所示，连续电流导通模式及不连续电流导通模式的电压和电流波形则示于图8中，与第一象限运转的波形类似但极性相反。
  
  图5负载电压为负而电流为正的第二象限运转
  
  图6 斩波器的第二象限运转
  
   图7 第三象限的运转模式
  
  
   图8 第三象限运转
  第四象限运转对应于正负载电压和负的负载电流，假设负载的电动势源E为正，欲将能量由负载送至直流电源，则在图1中要建立由右边流至左边的电枢电流，此电流方向为负。
  假设电机为第一象限运转（电枢电流为正），当制动指令出现，负载与电枢电流指令要转为负，电枢电流可由正值经零到负值。打开T1和T2 ，于是D3和D4导通将电流很快降至零，欲使电流为负值，将T4导通使负载短路，电动势源建立流经T4和D2 的电流，当电流增加到峰值时 T4 截止，强迫D1变为顺偏，负载电流经D1和D2流至直流输入电源。
  当电流下降至某下限以下时T4再度导通以建立电流，供下阶段转移至电源之用，图9为电压与电流的波形，平均负载电压为正但平均负载电流为负，代表功率是由负载转移至电源，电源功率为平均电源电流与平均电源电压的积（为负值），如图9所示。
  
  图9 斩波器的第四象限运转