實(shí)驗(yàn)1213橋式可逆斬波電路的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、.橋式可逆斬波電路的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)1. 方案設(shè)計(jì)2. 完成主電路的原理分析 , 各主要元器件的選擇3. 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4. 繪制系統(tǒng)硬件圖5. 利用 matlab 仿真軟件建模并仿真，獲取輸出電壓電流波形，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析2 初始條件設(shè)計(jì)一橋式可逆斬波電路（IGBT），已知電源電壓為400V，反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，其中 R的值為 5、 L 的值為 1 mH、E=50V。3 設(shè)計(jì)思路首先明確什么是斬波電路，了解其定義、分類(lèi)與應(yīng)用后知橋式可逆斬波電路是利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合而構(gòu)成的復(fù)合斬波電路，那么，就必須從最基本的斬波電路著手，循序漸進(jìn)地分析，最后設(shè)計(jì)出橋式可逆斬波電路, 并利用 matlab

2、 軟件得到正確的波形。4 設(shè)計(jì)過(guò)程直流 - 直流變流電路（ DC-DC Converter ）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱(chēng)斬波電路（ DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出不隔離。直流斬波電路的種類(lèi)較多，最基本的電路是降壓斬波電路和升壓斬波電路，利用它們進(jìn)行組合可構(gòu)成復(fù)合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆. . .斬波電路，而橋式可逆斬波電路又可看做是電流可逆斬波電路的升級(jí)版或由兩個(gè)電流可逆斬波電路組合而成。4.

3、1降壓斬波電路斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中 EM所示。降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖 1 所示。Ei GOi oOu oOi Gi G Oi oOu oOVLi oRi Gu oVDa)t offt onTi 1i 2I 10I 20t 1Eb)t ont offi 1T t xi 2t 1I 20t 2EEE Mc)圖 1 降壓斬波電路的原理圖及工作波形+ME M-tttttta) 電路圖 b) 電流連續(xù)時(shí)的波形 c) 電流斷續(xù)時(shí)的波形工作原理 ：t =0 時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通，電源 E 向負(fù)載供電，負(fù)載電壓 uo =E

4、，負(fù)載電流 i o 按指數(shù)曲線上升； t =t 1 時(shí)刻控制 V 關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD續(xù)流，負(fù)載. . .電壓 uo 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感L 值較大。數(shù)量關(guān)系：電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值是U ot onEton EEt ontoffTt on V 通的時(shí)間，t off V 斷的時(shí)間， a- 導(dǎo)通占空比Uo 最大為 E ，減小占空比 a，Uo 隨之減小，因此稱(chēng)為降壓斬波電路。負(fù)載電流平均值是U oEMI oR電流斷續(xù)時(shí)， Uo 被抬高，一般不希望出現(xiàn)。4.2升壓斬波電路升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖2 所示。LVDi 1i oE

5、VCuoRi Gi Ga)Oti oI 1Otb)圖 2 升壓斬波電路原理及其工作波形a) 電路圖 b) 波形工作原理：假設(shè) L 值很大， C 值也很大。 V導(dǎo)通時(shí)， E 向 L 充電，充電電流恒為 I 1，同時(shí) C 的電壓向負(fù)載供電，因 C 值很大，輸出電壓 uo 可以看做為恒值，記EI 1ton. . .U oE I 1toff.為Uot onL上積蓄的能量為。V斷時(shí)， E 是L共。設(shè) V 通的時(shí)間為，此階段同向 C充電并向負(fù)載 R供電。設(shè) V 斷的時(shí)間為 t off ，則此期間電感 L 釋放能量為。穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等。即有 :EI 1tonU o E I

6、 1toff化簡(jiǎn)得：U otontoff ETEtofftoff輸出電壓高于電源電壓，故稱(chēng)該電路為升壓斬波電路, 也稱(chēng)之為 boost 變換器。T / t off 升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo 大小。將升壓比的倒數(shù)記作，則和導(dǎo)通占空比a 有如下關(guān)系：1因此U o1 E1E1升壓斬波電路的典型應(yīng)用：一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，二是用作單相功率因數(shù)校正（ PFC）電路，三是用于其他交直流電源中。用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形如圖3 所示。LVD. . .MEMVuoEa).圖 3 用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形a) 電路圖 b) 電流連續(xù)時(shí) c) 電流斷續(xù)時(shí)用于直流電動(dòng)機(jī)

7、傳動(dòng)時(shí)，通常是用于直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。實(shí)際電路中電感L 值不可能為無(wú)窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于 圖 2 電路中的電源，而此時(shí)的直流電源相當(dāng)于圖2 中電路中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容。4.3電流可逆斬波電路斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。降壓斬波電路拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如圖1 所示，電動(dòng)機(jī)工作于第1 象限。圖 3 所示升壓斬波電路中，電動(dòng)機(jī)工作于第2 象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電

8、樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1 象限和第 2 象限。其電路及其波形如圖 4 所示。uoV1E. VD2LR ioV2OtVDuoMio iV1iD11EM.圖 4 電流可逆斬波電路及其波形a) 電路圖 b) 波形工作原理： V1 和 VD1 構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1 象限； V2 和 VD2 構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2 象限。要引起注意的是必須防止V1 和 V2 同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)，V 和 VD 總處于斷態(tài)，只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則

9、V 和 VD總處于斷態(tài)。第3 種2211工作方式：一個(gè)周期交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。以 圖 4 為例說(shuō)明。在一個(gè)周期，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。局限性：電流可逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運(yùn)行，但電壓極性是單向的。由此思路設(shè)計(jì)出橋式可逆斬波電路。4.4橋式可逆斬波電路當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場(chǎng)合，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路，如圖 5 所示。VuoV31

10、. . .VD2LRioVD4EMV2+-VD1EVD3.圖 5 橋式可逆斬波電路工作原理：當(dāng)使V4 保持通態(tài)時(shí)，該斬波電路就等效為圖4 所示的電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2 象限，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)和正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，需防止V3 導(dǎo)通造成電源短路。當(dāng)使V2 保持為通態(tài)時(shí)，V3、 VD3、V4 、VD4 等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第 3、 4 象限。其中 V3 和 VD3 構(gòu)成降壓斬波電路，向電動(dòng)機(jī)供電使其工作于第 3 象限即反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，而 V4 和 VD4 構(gòu)成升壓斬波電路，可使電動(dòng)機(jī)工作于第 4 象限即反轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài)

11、。工作方式：雙極性工作方式，單極性工作方式，受限單極性工作方式。4.4.1雙極性工作方式V1 與 V4 同時(shí)通斷， V2 與 V3 同時(shí)通斷； V1 與 V2 通斷互補(bǔ)， V3 與 V4通斷互補(bǔ)。輸出電壓波形中電壓有正有負(fù)，故稱(chēng)雙極性，如圖6 所示。. . .u oa)0t.圖 6 橋式可逆斬波電路雙極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續(xù)時(shí) c) 電流斷續(xù)時(shí)4.4.2單極性工作方式V1 與 V2 不斷調(diào)制， V3 與 V4 全通或全斷； V1 與 V2 通斷互補(bǔ)， V3 與 V4通斷互補(bǔ)。輸出電壓波形中電壓只有正或只有負(fù)，故稱(chēng)單極性，如圖7 所示。uo0ta)io12b)0tioc)1

12、2340t圖 7 橋式可逆斬波電路單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續(xù)時(shí) c) 電流斷續(xù)時(shí)4.4.3受限單極性工作方式. . .V1 不斷調(diào)制， V4 全通， V3 與 V2 全斷或 V2 不斷調(diào)制， V3 全通， V1 與 V4全斷。輸出電壓波形中電壓只有正或只有負(fù)，且輕載時(shí)電流也斷續(xù)，故稱(chēng)受限單極性，如圖 8 所示。uo0ta)io12b)0tio12c)0t圖 8 橋式可逆斬波電路受限單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續(xù)時(shí) c) 電流斷續(xù)時(shí)5 仿真結(jié)果用 matlab 仿真橋式可逆斬波電路，首先得設(shè)計(jì)出用于觸發(fā)四個(gè)IGBT的脈沖發(fā)生器，在此只仿真橋式可逆斬波電路工

13、作于雙極性工作方式的情形，即V1與 V4 同時(shí)通斷， V2 與 V3 同時(shí)通斷； V1與 V2通斷互補(bǔ)， V3 與 V4 通斷互補(bǔ)。脈沖發(fā)生器如圖 9 所示。. . .圖 9 脈沖發(fā)生器對(duì)控制四個(gè) IGBT通斷的兩個(gè)脈沖發(fā)生器的設(shè)置如下：對(duì)控制V1、 V4 的脈沖發(fā)生器設(shè)置如圖 10，對(duì)控制 V2、V3 的脈沖發(fā)生器的設(shè)置如圖11 所示。設(shè)置后需保證橋式可逆斬波電路工作在雙極性狀態(tài)，則兩組脈沖發(fā)生器的相位應(yīng)相差90 度，即半個(gè)周期。圖 10 對(duì)控制 V1、V4 的脈沖發(fā)生器的設(shè)置圖 11 對(duì)控制 V2、V3 的脈沖發(fā)生器的設(shè)置. . .設(shè)計(jì)最終的主電路圖如圖12 所示。圖 12 主電路圖仿真后

14、得到的波形圖如圖13 所示，上圖為電壓波形，下圖為電流波形。圖 13 波形圖. . .設(shè)計(jì)總結(jié)相對(duì)于降壓斬波電路和升壓斬波電路的設(shè)計(jì)，橋式可逆斬波電路的設(shè)計(jì)更具難度與挑戰(zhàn)性，可以說(shuō)是前兩者的有機(jī)復(fù)合。橋式可逆斬波電路在電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)和電力系統(tǒng)及其他領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于具有摩擦負(fù)載的直流調(diào)速系統(tǒng)需要能在四象限運(yùn)行的直流變換電路，從而發(fā)展出了橋式可逆斬波電路。調(diào)試橋式可逆斬波電路的相關(guān)參數(shù)并對(duì)負(fù)載的工作情況進(jìn)行對(duì)比分析與研究，對(duì)工程實(shí)踐具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)作用。本文循序漸進(jìn)地分析基本斬波電路，最后設(shè)計(jì)出了橋式可逆斬波電路。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，反復(fù)地翻閱課本及相關(guān)資料，加深了我對(duì)直流斬波電路的理解，在仿真過(guò)程中，更加熟練了對(duì)