橋式變換器的仿真

1、目錄摘要1 設(shè)計(jì)原理11.1 開關(guān)電源11.2半橋逆變器1半橋逆變器的概述11.2.2 半橋變換器的電路結(jié)構(gòu)及作用21.2.3 半橋變換器的工作原理31.3 全橋變換器3全橋變換器的概述31.3.2 全橋變換器的結(jié)構(gòu)及作用41.3.3 全橋變換器的工作原理52 仿真電路的設(shè)計(jì)62.1 半橋變換器仿真電路62.2 全橋變換器的仿真電路圖83 仿真結(jié)果及分析104 小結(jié)13參考文獻(xiàn)14橋式變換器的仿真1 設(shè)計(jì)原理1.1 開關(guān)電源 開關(guān)穩(wěn)壓電源的種類很多，有BUCK變換器、BOOST變換器、BUCK/BOOST變換器、正激變換器、反激變換器、推挽式變換器、半橋變換器、全橋變換器等，本次設(shè)計(jì)研究的是半

2、橋和全橋變換器。對(duì)開關(guān)電壓的研究十分有意義，這是由于該開關(guān)電源有很多優(yōu)越性：1、效率高。開關(guān)電源的調(diào)整開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，截止期間，開關(guān)管無(wú)電流，因此不消耗功率，可大大提高效率，通常課達(dá)到80%90%左右。而傳統(tǒng)的調(diào)整串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的晶體管一直工作在放大區(qū)，全部負(fù)載電流都通過(guò)晶體管，功耗就較大，因而效率很低，一般只在50%左右。2、功耗小。由于開關(guān)管在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，不需要采用打散熱器。而且功耗校使得機(jī)內(nèi)溫升低，周圍環(huán)境不會(huì)長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下而損壞，有利于提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。3、穩(wěn)定范圍寬。當(dāng)開關(guān)電源輸入電壓在150250V范圍內(nèi)變化時(shí)，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在2%

3、以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)很大的地區(qū)。4、安全可靠。開關(guān)穩(wěn)壓電路一般具有自動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)穩(wěn)壓電路、高壓電路、負(fù)載出現(xiàn)故障或短路時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保護(hù)功能靈敏可靠。1.2半橋逆變器1.2.1半橋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)橋臂有兩個(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)。半橋變換器高頻變壓器的磁芯也是雙向磁化，工作在磁化曲線的

4、第一象限和第三象限。由于開關(guān)器件特性的不對(duì)稱、驅(qū)動(dòng)電路的不對(duì)稱等原因，會(huì)引起直流分量，產(chǎn)生偏磁并可能因積累而使變壓器磁飽和，產(chǎn)生過(guò)大的電流，使變壓器的效率因損耗而降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使開關(guān)器件損壞，因此在半橋路中應(yīng)用防偏磁措施。另外，由于強(qiáng)電磁干擾，兩只開關(guān)管因誤觸發(fā)可能同時(shí)導(dǎo)通，即形成直通而造成逆變崩潰，為此應(yīng)該有抗電磁干擾抑制措施，特別是驅(qū)動(dòng)電路的屏蔽、布局工藝。半橋電路單端正激、推挽電路相比，因開光管只承受電源電壓的電壓應(yīng)力，可用于輸入電壓高的場(chǎng)合。1.2.2 半橋變換器的電路結(jié)構(gòu)及作用 在高壓開關(guān)電源中，功率輸出大的一般都使用半橋式變換器電源電路。其電路如圖1-1所示。它由兩只電容和兩只高壓

5、晶體管組成。當(dāng)兩只晶體管都截止時(shí)，若兩只電容的容量相等且電路對(duì)稱，則電容中點(diǎn)a的電壓為輸入電壓的一半。當(dāng)VTl導(dǎo)通時(shí)，電容C02將通過(guò)VTl、變壓器初級(jí)繞組N1放電；同時(shí)，電容C02則通過(guò)輸入電源、VTl和Tl的原邊繞組Nl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。在VTl導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，a點(diǎn)的電位為1/2Ui-Ui，且兩只晶體管全都截止。兩只電容和兩只高壓晶體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，VT2導(dǎo)通時(shí)，C02放電、C01充電，a點(diǎn)的電位將增至1/2Ui+Ui，即a點(diǎn)電位在開關(guān)過(guò)程中將在1/2Ui的電位上以±Ui的幅值進(jìn)行指數(shù)變化。由此可見(jiàn)，在

6、半橋式電路中，變壓器初級(jí)線圈在整個(gè)周期中都流過(guò)電流，磁心利用得更充分。半橋式變換器電路的主要優(yōu)點(diǎn)是其電路中所使用的功率開關(guān)晶體管的耐壓較低，絕不會(huì)超過(guò)輸人電壓的峰值；晶體管的飽和電壓也降至最低；輸入濾波電容的耐壓也可以減小。但是因?yàn)楦哳l變壓器上施加的電壓幅值只有輸入電壓的一半，與推挽式電路相比，欲輸出相同的功率，則開關(guān)晶體管必須流過(guò)2倍的電流。所有雙極性變換器，輸出除采用全波還可以采用橋式整流或倍流整流，視應(yīng)用場(chǎng)合而定。圖1-1 半橋變換器主電路結(jié)構(gòu)圖1.2.3 半橋變換器的工作原理半橋變換器和推挽變換器在電路構(gòu)成上均可看成是由二個(gè)單端正激變換器的組合。推挽變換器的一次側(cè)是具有中心抽頭的兩個(gè)繞

7、組，且磁路是耦合的。每個(gè)單端正激電路有自己的一次繞組。電源電壓加在中心抽頭處，以推挽方式形成正、負(fù)脈沖方波。而半橋變換器的二個(gè)單端正激電路在一次側(cè)共用一個(gè)繞組，以控制繞組電流反向的方法獲得正、負(fù)脈沖方波電壓。1.3 全橋變換器1.3.1全橋變換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。 全橋變換器的變壓器磁芯也工作于雙向磁化狀態(tài)，即工作在磁化曲線I，III象限。同板橋電路一樣

8、，也存在偏磁可能，導(dǎo)致變壓器磁飽和現(xiàn)象發(fā)生，需要采取防偏磁措施。為防止同一橋臂可能發(fā)生直通現(xiàn)象，需要精心設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路及抗干擾電路。全橋變換器每次導(dǎo)通期間，形成兩個(gè)管壓降，其損耗較推挽變換器大，但開關(guān)截止時(shí)承受的電壓應(yīng)力為電源電壓，是推挽電路的一半。全橋變換器相對(duì)單管和雙管推挽、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。1.3.2 全橋變換器的結(jié)構(gòu)及作用 全橋變換器典型的主電路如圖1-2所示。四個(gè)開關(guān)管VT1VT

9、4構(gòu)成橋式電路，理論上，它們應(yīng)該并聯(lián)四只二極管VD1VD4用于能量恢復(fù)，課清除漏感產(chǎn)生的部分瞬時(shí)過(guò)電壓，但此原理圖中沒(méi)有畫出。變壓器一次繞組N1接在對(duì)角線上， 對(duì)角的開關(guān)管在PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下同時(shí)導(dǎo)通或截止，即VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2、VT3截止、反之亦然。在一次及二次繞組上形成極性相反的對(duì)稱方波脈沖電壓。輸出繞組為中心抽頭。二極管VD1VD4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1-2 全橋變換器主電路結(jié)構(gòu)圖1.3.3 全橋變換器的工作原理

10、全橋變換器的控制方式有雙極性PWM控制、有限極性PWM控制和移相控制三種方式，本設(shè)計(jì)只討論傳統(tǒng)的PWM控制全橋變換器的工作原理。同半橋變換器一樣的原因，研究分析其半周期的工作過(guò)程，即VT1、VT4導(dǎo)通與截止的過(guò)程。另外半周期的工作過(guò)程，即VT2、VT3導(dǎo)通與截止的過(guò)程，與前半周相似，只是一次側(cè)的電壓電流極性及二次側(cè)電壓極性與前半周相反而已。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時(shí)，為了便于說(shuō)明，進(jìn)行了兩種方式的波形仿真，分別為半橋變換器全波整流電路和橋式整流電路，其中全波整流電路電路圖如圖2-1所示，橋式整流如圖2-2所示。圖2-1 半橋變換器全波整理

11、仿真電路圖2-2 半橋變換器橋式整流仿真電路圖 2.2 全橋變換器的仿真電路圖用MATLAB中的simulink進(jìn)行仿真，全橋變換器的仿真電路圖同半橋一樣，也采用了全橋變換器全波整流和橋式整流兩種方式，分別如圖2-3、圖2-4所示。圖2-3 全橋變換器全波整流仿真電路圖圖2-4 全橋變換器橋式整流仿真電路圖3 仿真結(jié)果及分析 將上述四個(gè)電路圖在MATLAB中進(jìn)行仿真，在相同的元器件參數(shù)的條件下，得到的半橋變換器輸出電壓波形分別如圖3-1、3-2所示圖3-1半橋變換器橋式整流仿真波形圖圖3-2 半橋變換器橋式整流仿真將上述兩半橋變換器波形圖進(jìn)行比較可知：1、 半橋變換器全波整流和橋式整流都可以快

12、速的得到平穩(wěn)的直流波形，但是橋式整流的調(diào)節(jié)時(shí)時(shí)間更為迅速，由此說(shuō)明橋式整流的調(diào)節(jié)性能較好一些。2、 仔細(xì)觀察課以看出，橋式整流的輸出波形略大，更加接近20V，則說(shuō)明橋式的帶負(fù)載能力更強(qiáng)一些。3、 在輸出電壓基本達(dá)到穩(wěn)定后，橋式的上下波動(dòng)比全波整流的要小，這也說(shuō)明了橋式整流的穩(wěn)定性好。將上述四個(gè)電路圖在MATLAB中進(jìn)行仿真，在相同的元器件參數(shù)的條件下，得到的全橋變換器輸出電壓波形分別如圖3-3、3-4所示3-3 全橋變換器全波整流仿真波形圖圖3-4全橋變換器橋式整流仿真波形圖 將全橋的兩個(gè)波形進(jìn)行比較，可以看出，也可以得出與半橋差不多的結(jié)論，即全橋變換器橋式整流電路比全波整流的調(diào)節(jié)性能好，帶負(fù)

13、載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。 最后，在將上述四種波形圖進(jìn)行統(tǒng)一比較，又可以發(fā)現(xiàn)全橋的性能又比半橋的好一些。 綜上所述，可得出一下的結(jié)論：半橋變換器主要特性及使用場(chǎng)合：變壓器利用率高；開關(guān)管承電壓應(yīng)力低，可做到與輸入電壓V相等，開關(guān)器件參數(shù)不一致是，有偏磁可能；漏感會(huì)引起占空比丟失；在相同Ip下，輸出功率與單端正激相當(dāng)。適用于輸入電壓高、中等功率的場(chǎng)合。全橋變換器主要特性及使用場(chǎng)合：變壓器磁芯雙向磁化，利用率高；開關(guān)管承電壓應(yīng)力低，可做到與輸入電壓V相等；在相同Ip下，輸出功率比半橋高出一倍；開關(guān)器件參數(shù)不一致是，有偏磁可能性；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，四組均需隔離；開關(guān)器件比半橋多出一倍。適用于輸入電壓高、輸出功

14、率大的場(chǎng)合。4 小結(jié)此次課程設(shè)計(jì)要求對(duì)開關(guān)電源的橋式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。這一題目涉及到了電力電子裝置，電力拖動(dòng)，電力電子技術(shù)等許多知識(shí)，通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)開關(guān)電源的知識(shí)有了更深層次的了解，了解了各種開關(guān)電源的拓?fù)浜筒ㄐ?，并且學(xué)會(huì)了應(yīng)用MATLAB對(duì)變換器電路進(jìn)行仿真，由此，也加強(qiáng)了MATLAB仿真技術(shù)的應(yīng)用能力，學(xué)會(huì)了用MATLAB繪制圖形并進(jìn)行仿真參數(shù)的調(diào)試，。在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了很多這樣那樣的問(wèn)題，比如在晶閘管管的選型上，計(jì)算公式的選取，再比如電氣原理圖的繪制等等。這些都需要我們大量地查閱資料。一次課程設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到了自身對(duì)于以前知識(shí)掌握地不牢固，同時(shí)也把以前所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在幫助我把以前的知識(shí)查闕補(bǔ)漏的同時(shí)也