橋式變換器的仿真

1、目 錄摘 要I1 設計原理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構及原理11.1.3 半橋變換器的輸入輸出關系式31.2 全橋變換器31.2.1全橋逆變器的概述31.2.2 全橋變換器的結構及原理41.2.3 全橋變換器的輸入輸出關系式52 仿真電路的設計62.1 半橋變換器仿真電路62.2 半橋變換器參數(shù)設置62.3全橋變換器仿真電路82.4 全橋變換器參數(shù)設置93 仿真結果及分析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13參考文獻14摘 要隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷

2、地創(chuàng)新。而開關電源實質上就是直流DC/DC轉換器。本設計采用的是隔離式DC/DC轉換器。將400V的直流電先進行逆變，通過變壓器隔離變壓后再進行整流，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，本次設計中逆變主電路結構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。關鍵詞：半橋變換，全橋變換，MATLAB仿真電力電子電路仿真1 設計原理1.1 半橋變換器1.1.1 半橋逆變器的概述半橋逆變器實際上是由兩個單端正激變換器

3、組合而成的。其中一個橋臂由兩個特性相同、容量相等的電容器承擔，每個電容承擔二分之一的電源電壓；另一橋臂由兩個受PWM信號控制驅動的功率開關管承擔，故稱為半橋逆變器。輸出從兩橋臂的中點取出，或接高頻變壓器隔離變壓。兩個PWM信號互補。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，且直流側需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器的電壓均衡；但是在半橋電路中，可以利用兩個大電容C1、C2自動補償不對稱波形，這是半橋電路的一大優(yōu)點。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構及原理半橋逆變器結構如圖1-1所示。它由兩個容值相等的電容C1

4、和C2構成一個橋臂，開關管T1和T2及反并聯(lián)二極管D1和D2構成另一個橋臂，兩個橋臂的中點A和B為輸出端，可以通過變壓器變壓輸出，也可以由這兩端直接等壓輸出。當兩只晶體管都截止時，其電壓UC1=UC2=0.5Ui。當Tl導通時，電容C2將通過Tl、變壓器初級繞組放電；同時，電容C1則通過輸入電源、Tl和變壓器的原邊繞組充電。中點A的電位在充、放電過程中將按指數(shù)規(guī)律下降，其值大小為Ui。在Tl導通結束時，A點的電位為0.5Ui-Ui，且兩只開關管全都截止。兩只電容和兩只高壓開關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導通時，C2放電、C1充電，A點的電位將增至0.5U

5、i+Ui，即A點電位在開關過程中將在0.5Ui的電位上以Ui的幅值進行指數(shù)變化。圖1-1 半橋逆變器主電路結構圖半橋逆變器處于變壓器的原邊，要實現(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構圖副邊電路的工作如下：當原邊繞組N1導通時，副邊繞組電壓使二極管VD導通，此時副邊繞組電路與正激變換器工作相似。當副邊繞組N1關斷時，兩個繞組電壓均朝零變化。副邊回路電感L反激，儲能繼續(xù)向負載供能。當副邊線圈電壓降到零時，兩個二極管都起著續(xù)流作用，且兩者分得的電流近似相等。在它們都導通時，副邊電壓鉗位到零。1.1.3 半橋變換器的輸入輸出關系式 令變換器給定的輸入直流電

6、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，開關管的占空比表示為ton/T。當濾波電感L的電流連續(xù)時如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負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于兩組雙管正激式變換器電路的組合。兩組的驅動PWM脈沖是互補的。它由四個開關管構成，每一個橋臂有兩個開關管。高頻變壓器的一次側接在兩橋臂的中點對角線上，在電路形式上像一個電橋，且每個橋臂均用有源功率開關期間開關器件組成，故稱全橋變換器。全橋變換器相對半橋電路雖然復雜一些，但在選用與半橋相同規(guī)格開關功率器

7、件時，可獲得兩倍半橋電路的電壓利用率以及輸出功率。由于開關管承受的電壓應力低，因此全橋電路最適合于高輸入電壓大功率的應用場合。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 全橋變換器的結構及原理 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，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通。在0tTs/2期間，T1和T4有驅動信號導通時，T2和T3無驅動信號截止，u0=Ud；在Ts/2tTs期間，T2和T3有驅動信號導通時，T1和T4無驅動信號截止，u0=-Ud。因此輸出電壓u0是弧度寬的方波電壓，幅值為Ud，如圖1-4所示。1-3 全橋變換器主電路結構圖

8、圖1-4 全橋逆變電路而全橋變換器的主電路結構如下圖1-5所示。其輸出繞組為中心抽頭。兩個二極管構成橋式整流。電感L、電容C0構成輸出高頻濾波器，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構圖1.2.3 全橋變換器的輸入輸出關系式 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，開關管的占空比表示為ton/T。當濾波電感L的電流連續(xù)時如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極

9、限情況下2 仿真電路的設計2.1 半橋變換器仿真電路利用MATLAB進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)設置首先，powergui模塊的中的configure parameters的參數(shù)需設置如下圖2-3所示，這是為了使仿真后所得示波器波形更加直觀，也減少仿真所用時間。圖2-3 半橋電路powergui模塊參數(shù)設置輸入直流電源電壓設置：設置輸入直流電壓為 400VPulse Generator模塊參數(shù)設置如下圖2-4所示：圖2

10、-4 Pulse Generator模塊參數(shù)設置變壓器參數(shù)設置如下圖2-5所示。此為在全波整流中示意圖，在橋式整流時，其變壓比不變，只是副邊變?yōu)橐粋€輸出。圖2-5 變壓器參數(shù)設置2.3全橋變換器仿真電路用MATLAB中的simulink進行仿真，全橋變換器的仿真電路圖同半橋相差不大，在增加橋臂的基礎上修改變壓器副邊負載參數(shù)即可，其中驅動電路，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 全橋橋式變換器仿真電路2.4 全橋變換器參數(shù)設置全橋變換器的參數(shù)

11、設置半橋變換時類似，為了得到不同的電壓值以進行比較，變壓器參數(shù)設置也相同所示。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應相同。3 仿真結果及分析3.1 半橋電路仿真分析在半橋電路中設置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仿真輸出電壓最終穩(wěn)定在25V左右。為了驗證仿真的準確性，接下來對其進行理論驗證。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.

12、125。且當占空比為50%時濾波電感L的電流處在臨界工作模式下，輸出電壓為：仿真結果與理論推導結論符合。3.2 全橋電路仿真分析在全電路中也設置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仿真輸出電壓最終穩(wěn)定在50V左右。為了驗證仿真的準確性，接下來對其進行理論驗證。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=0.125。且當占空比為50%時，濾波電感L的電流處在臨界工作模式下，輸出電壓為：仿真結果與理論推導結論符合。3.3 綜合比較與分析經(jīng)過觀察圖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，但是無論是半橋還是全橋，全波整流需要0.45秒左右才能達到穩(wěn)定值，而橋式整流約在 0.2 秒左右時就達到穩(wěn)定值，說明橋式整流的響應時間短，調節(jié)速度快。但是全波整流最后達到的穩(wěn)定值與預期相比十分接近，而橋式整流流最后達到的電壓穩(wěn)定值與預期值有一定的差距，這可能是由于橋式整流兩個開關管壓降造成的電壓損耗較大造成的參考文獻【1】楊蔭福，段善旭