橋式變換器的仿真

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目 錄摘 要I1 設(shè)計(jì)原理11.1 半橋變換器11.1.1 半橋逆變器的概述11.1.2 半橋變換器的電路結(jié)構(gòu)及原理11.1.3 半橋變換器的輸入輸出關(guān)系式31.2 全橋變換器31.2.1全橋逆變器的概述31.2.2 全橋變換器的結(jié)構(gòu)及原理41.2.3 全橋變換器的輸入輸出關(guān)系式52 仿真電路的設(shè)計(jì)62.1 半橋變換器仿真電路62.2 半橋變換器參數(shù)設(shè)置62.3全橋變換器仿真電路82.4 全橋變換器參數(shù)設(shè)置93 仿真結(jié)果及分析103.1 半橋電路仿真分析103.2 全橋電路仿真分析113.3 綜合比較與分析12心得體會(huì)13參考文獻(xiàn)142摘 要隨著電力

2、電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。而開關(guān)電源實(shí)質(zhì)上就是直流DC/DC轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用的是隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。將400V的直流電先進(jìn)行逆變，通過(guò)變壓器隔離變壓后再進(jìn)行整流，最后的得到接近于25V的直流穩(wěn)壓電源。由于逆變主電路以及整流主電路的形式多種多樣，本次設(shè)計(jì)中逆變主電路結(jié)構(gòu)采用半橋式和全橋式兩種，整流主電路采用全波整流和橋式整流，因此最后的方案有四種，分別是：半橋全波變換器，半橋橋式變換器，全橋全波變換器以及全橋橋式變換器。這四種方案各有特色，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：半橋變換，全橋變換，MATLAB仿真13電力電子電路仿真1 設(shè)計(jì)原理1.1 半橋變換器1.1.1 半橋

3、逆變器的概述半橋逆變器實(shí)際上是由兩個(gè)單端正激變換器組合而成的。其中一個(gè)橋臂由兩個(gè)特性相同、容量相等的電容器承擔(dān)，每個(gè)電容承擔(dān)二分之一的電源電壓；另一橋臂由兩個(gè)受PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)的功率開關(guān)管承擔(dān)，故稱為半橋逆變器。輸出從兩橋臂的中點(diǎn)取出，或接高頻變壓器隔離變壓。兩個(gè)PWM信號(hào)互補(bǔ)。半橋電路輸出端的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，因此電壓利用率低，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器的電壓均衡；但是在半橋電路中，可以利用兩個(gè)大電容C1、C2自動(dòng)補(bǔ)償不對(duì)稱波形，這是半橋電路的一大優(yōu)點(diǎn)。因此半橋電路常用于幾千瓦以下的小功率逆變電路。 1.1.2 半橋變換器的電路結(jié)構(gòu)及原理半橋逆

4、變器結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它由兩個(gè)容值相等的電容C1和C2構(gòu)成一個(gè)橋臂，開關(guān)管T1和T2及反并聯(lián)二極管D1和D2構(gòu)成另一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)A和B為輸出端，可以通過(guò)變壓器變壓輸出，也可以由這兩端直接等壓輸出。當(dāng)兩只晶體管都截止時(shí)，其電壓UC1=UC2=0.5Ui。當(dāng)Tl導(dǎo)通時(shí)，電容C2將通過(guò)Tl、變壓器初級(jí)繞組放電；同時(shí)，電容C1則通過(guò)輸入電源、Tl和變壓器的原邊繞組充電。中點(diǎn)A的電位在充、放電過(guò)程中將按指數(shù)規(guī)律下降，其值大小為Ui。在Tl導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，A點(diǎn)的電位為0.5Ui-Ui，且兩只開關(guān)管全都截止。兩只電容和兩只高壓開關(guān)管的集射極間的電壓基本上相等，都接近于輸入電源電壓的一半。相反，T2導(dǎo)

5、通時(shí)，C2放電、C1充電，A點(diǎn)的電位將增至0.5Ui+Ui，即A點(diǎn)電位在開關(guān)過(guò)程中將在0.5Ui的電位上以±Ui的幅值進(jìn)行指數(shù)變化。圖1-1 半橋逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖半橋逆變器處于變壓器的原邊，要實(shí)現(xiàn)半橋變換需要同副邊的整流電路配合，如下圖1-2所示。圖1-2 半橋變換器主電路結(jié)構(gòu)圖副邊電路的工作如下：當(dāng)原邊繞組N1導(dǎo)通時(shí)，副邊繞組電壓使二極管VD導(dǎo)通，此時(shí)副邊繞組電路與正激變換器工作相似。當(dāng)副邊繞組N1關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)繞組電壓均朝零變化。副邊回路電感L反激，儲(chǔ)能繼續(xù)向負(fù)載供能。當(dāng)副邊線圈電壓降到零時(shí)，兩個(gè)二極管都起著續(xù)流作用，且兩者分得的電流近似相等。在它們都導(dǎo)通時(shí)，副邊電壓鉗位到零。1

6、.1.3 半橋變換器的輸入輸出關(guān)系式 令變換器給定的輸入直流電壓為Ui，全橋變換器輸出電壓值為U0，原邊繞組匝數(shù)為N1，副邊繞組匝數(shù)為N2，開關(guān)管的占空比表示為ton/T。當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下1.2 全橋變換器1.2.1全橋逆變器的概述全橋變換器的電路相當(dāng)于兩組雙管正激式變換器電路的組合。兩組的驅(qū)動(dòng)PWM脈沖是互補(bǔ)的。它由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，每一個(gè)橋臂有兩個(gè)開關(guān)管。高頻變壓器的一次側(cè)接在兩橋臂的中點(diǎn)對(duì)角線上，在電路形式上像一個(gè)電橋，且每個(gè)橋臂均用有源功率開關(guān)期間開關(guān)器件組成，故稱全橋變換器。全橋變

7、換器相對(duì)半橋電路雖然復(fù)雜一些，但在選用與半橋相同規(guī)格開關(guān)功率器件時(shí)，可獲得兩倍半橋電路的電壓利用率以及輸出功率。由于開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力低，因此全橋電路最適合于高輸入電壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。其控制方式有雙極性PWM控制、有限雙極性PWM控制和移相控制。1.2.2 全橋變換器的結(jié)構(gòu)及原理 全橋逆變器典型的主電路如圖1-3所示。把橋臂l和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。在0tTs/2期間，T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)，T2和T3無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)截止，u0=Ud；在Ts/2tTs期間，T2和T3有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)，T1和T4無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)截止，u0=-Ud。因此輸出電壓u0是弧度寬的方波電

8、壓，幅值為Ud，如圖1-4所示。1-3 全橋變換器主電路結(jié)構(gòu)圖圖1-4 全橋逆變電路而全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)如下圖1-5所示。其輸出繞組為中心抽頭。兩個(gè)二極管構(gòu)成橋式整流。電感L、電容C0構(gòu)成輸出高頻濾波器，其紋波電壓和電流的頻率為二倍的開關(guān)頻率。串接在變壓器一次繞組中的電容器C1，同半橋電路中的作用相同，用于隔離直流成分，防止磁飽和發(fā)生。圖1-5 全橋變換器主電路結(jié)構(gòu)圖1.2.3 全橋變換器的輸入輸出關(guān)系式 令變換器給定的輸入直流電壓為Ui，全橋變換器輸出電壓值為U0，原邊繞組匝數(shù)為N1，副邊繞組匝數(shù)為N2，開關(guān)管的占空比表示為ton/T。當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出

9、電壓U0將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下2 仿真電路的設(shè)計(jì)2.1 半橋變換器仿真電路利用MATLAB進(jìn)行半橋變換器的仿真，按下圖2-1或2-2連線。其中圖2-1為半橋全波變換器仿真電路，圖2-2為半橋橋式變換器仿真電路。圖2-1 半橋全波變換器仿真電路圖2-2 半橋橋式變換器仿真電路2.2 半橋變換器參數(shù)設(shè)置首先，powergui模塊的中的configure parameters的參數(shù)需設(shè)置如下圖2-3所示，這是為了使仿真后所得示波器波形更加直觀，也減少仿真所用時(shí)間。圖2-3 半橋電路powergui模塊參數(shù)設(shè)置輸入直流電源電壓設(shè)置：設(shè)置輸入直流電壓為 400VP

10、ulse Generator模塊參數(shù)設(shè)置如下圖2-4所示：圖2-4 Pulse Generator模塊參數(shù)設(shè)置變壓器參數(shù)設(shè)置如下圖2-5所示。此為在全波整流中示意圖，在橋式整流時(shí)，其變壓比不變，只是副邊變?yōu)橐粋€(gè)輸出。圖2-5 變壓器參數(shù)設(shè)置2.3全橋變換器仿真電路用MATLAB中的simulink進(jìn)行仿真，全橋變換器的仿真電路圖同半橋相差不大，在增加橋臂的基礎(chǔ)上修改變壓器副邊負(fù)載參數(shù)即可，其中驅(qū)動(dòng)電路，Pulse Generator模塊參數(shù)完全相同。具體如圖2-6，2-7所示。其中圖2-6為半橋半波變換器仿真電路，圖2-7為全橋橋式變換器仿真電路。圖2-6 全橋全波變換器仿真電路圖圖2-7 全

11、橋橋式變換器仿真電路2.4 全橋變換器參數(shù)設(shè)置全橋變換器的參數(shù)設(shè)置半橋變換時(shí)類似，為了得到不同的電壓值以進(jìn)行比較，變壓器參數(shù)設(shè)置也相同所示。而變壓器副邊的電感電容值則根據(jù)整流電路不同分別與半橋變換器對(duì)應(yīng)相同。3 仿真結(jié)果及分析3.1 半橋電路仿真分析在半橋電路中設(shè)置DC Voltage Source模塊輸出的直流電壓大小為400V，可以得到如下圖3-1和圖3-2所示的輸出電壓波形。圖3-1 半橋全波變換器輸出電壓波形圖3-2 半橋橋式變換器輸出電壓波形觀察仿真輸出電壓可以看出兩個(gè)仿真輸出電壓最終穩(wěn)定在25V左右。為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行理論驗(yàn)證。已知的輸入直流電壓為Ui為400V，

12、副邊繞組匝數(shù)為與原邊繞組匝數(shù)之比N2/N1=50/400=0.125。且當(dāng)占空比為50%時(shí)濾波電感L的電流處在臨界工作模式下，輸出電壓為：仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論符合。3.2 全橋電路仿真分析在全電路中也設(shè)置DC Voltage Source模塊輸出的直流電壓大小為400V，可以得到如下圖3-3和3-4所示輸出電壓波形。圖3-3 全橋全波變換器輸出電壓波形圖3-4 全橋橋式變換器輸出電壓波形觀察仿真輸出電壓可以看出兩個(gè)仿真輸出電壓最終穩(wěn)定在50V左右。為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，接下來(lái)對(duì)其進(jìn)行理論驗(yàn)證。已知的輸入直流電壓為Ui為400V，副邊繞組匝數(shù)為與原邊繞組匝數(shù)之比N2/N1=50/400=0.1

13、25。且當(dāng)占空比為50%時(shí)，濾波電感L的電流處在臨界工作模式下，輸出電壓為：仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論符合。3.3 綜合比較與分析經(jīng)過(guò)觀察圖3-1,3-2,3-3和3-4首先可以肯定的是全橋變換器的電壓利用率是半橋變換器的兩倍。然后不難發(fā)現(xiàn)變換器全波整流和橋式整流都可以比較快速的得到輸出最終平穩(wěn)的直流波形，但是無(wú)論是半橋還是全橋，全波整流需要0.45秒左右才能達(dá)到穩(wěn)定值，而橋式整流約在 0.2 秒左右時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定值，說(shuō)明橋式整流的響應(yīng)時(shí)間短，調(diào)節(jié)速度快。但是全波整流最后達(dá)到的穩(wěn)定值與預(yù)期相比十分接近，而橋式整流流最后達(dá)到的電壓穩(wěn)定值與預(yù)期值有一定的差距，這可能是由于橋式整流兩個(gè)開關(guān)管壓降造成的電壓損耗較大造成的參考文獻(xiàn)【1】楊蔭福，段善