桥式变换器的仿真

摘要 ................................................................................................................................................ I 1 设计原理 (1)

1、1 半桥变换器 (1)

1、1、1 半桥逆变器得概述 (1)

1、1、2 半桥变换器得电路结构及原理............................................................ 1ibqN5

1、1、3 半桥变换器得输入输出关系式............................................................ 3Dv404

1、2 全桥变换器 (3)

1、2、1全桥逆变器得概述 (3)

1、2、2 全桥变换器得结构及原理 (4)

1、2、3 全桥变换器得输入输出关系式 (5)

2 仿真电路得设计 (6)

2、1 半桥变换器仿真电路 (6)

2、2 半桥变换器参数设置 (6)

2、3全桥变换器仿真电路 (8)

2、4 全桥变换器参数设置 (9)

3 仿真结果及分析 (10)

3、1 半桥电路仿真分析 (10)

3、2 全桥电路仿真分析 (11)

3、3 综合比较与分析 (12)

心得体会 (13)

参考文献 (14)

摘要

随着电力电子技术得发展与创新,使得开关电源技术也在不断地创新。而开关电源实质上就就是直流DC/DC转换器。本设计采用得就是隔离式DC/DC转换器。将400V得直流电先进行逆变,通过变压器隔离变压后再进行整流,最后得得到接近于25V得直流稳压电源。

由于逆变主电路以及整流主电路得形式多种多样,本次设计中逆变主电路结构采用半桥式与全桥式两种,整流主电路采用全波整流与桥式整流,因此最后得方案有四种,分别就是:半桥全波变换器,半桥桥式变换器,全桥全波变换器以及全桥桥式变换器。这四种方案各有特色,也各有优缺点。

关键词:半桥变换,全桥变换,MATLAB仿真

电力电子电路仿真

1 设计原理

1、1 半桥变换器

1、1、1 半桥逆变器得概述

半桥逆变器实际上就是由两个单端正激变换器组合而成得。其中一个桥臂由两个特性相同、容量相等得电容器承担,每个电容承担二分之一得电源电压;另一桥臂由两个受PWM信号控制驱动得功率开关管承担,故称为半桥逆变器。输出从两桥臂得中点取出,或接高频变压器隔离变压。两个PWM信号互补。

半桥电路输出端得电压波形幅值仅为直流母线电压值得一半,因此电压利用率低,且直流侧需要两个电容器串联,工作时还要控制两个电容器得电压均衡;但就是在半桥电路中,可以利用两个大电容C1、C2自动补偿不对称波形,这就是半桥电路得一大优点。因此半桥电路常用于几千瓦以下得小功率逆变电路。

1、1、2 半桥变换器得电路结构及原理

半桥逆变器结构如图1-1所示。它由两个容值相等得电容C1与C2构成一个桥臂,

开关管T

1与T

及反并联二极管D

与D

构成另一个桥臂,两个桥臂得中点A与B

为输出端,可以通过变压器变压输出,也可以由这两端直接等压输出。当两只晶体

管都截止时,其电压U

C1=U

=0、5U

。当Tl导通时,电容C

将通过Tl、变压器初级

绕组放电;同时,电容C

则通过输入电源、Tl与变压器得原边绕组充电。中点A 得电位在充、放电过程中将按指数规律下降,其值大小为ΔUi。在Tl导通结束时,A点得电位为0、5Ui-ΔUi,且两只开关管全都截止。两只电容与两只高压开关管得集射极间得电压基本上相等,都接近于输入电源电压得一半。相反,T2导

通时,C

2放电、C

充电,A点得电位将增至0、5Ui+△Ui,即A点电位在开关过程中

将在0、5Ui得电位上以±ΔUi得幅值进行指数变化。

图1-1 半桥逆变器主电路结构图

半桥逆变器处于变压器得原边,要实现半桥变换需要同副边得整流电路配合,如下图1-2所示。

图1-2 半桥变换器主电路结构图

副边电路得工作如下:当原边绕组N 1导通时,副边绕组电压使二极管VD 导通,

此时副边绕组电路与正激变换器工作相似。当副边绕组N 1关断时,两个绕组电压

均朝零变化。副边回路电感L 反激,储能继续向负载供能。当副边线圈电压降到零时,两个二极管都起着续流作用,且两者分得得电流近似相等。在它们都导通时,副边电压钳位到零。1、1、3 半桥变换器得输入输出关系式

令变换器给定得输入直流电压为U i ,全桥变换器输出电压值为U 0,原边绕组匝

数为N 1,副边绕组匝数为N 2,开关管得占空比表示为t on /T 。当滤波电感L 得电流连续时

N N U U on 12i 0t = 如果输出电感电流不连续,输出电压U 0将高于上式得计算值,并随负载减小

而升高,在负载为零得极限情况下

i 120U N N U = 1、2 全桥变换器

1、2、1全桥逆变器得概述

全桥变换器得电路相当于两组双管正激式变换器电路得组合。两组得驱动PWM 脉冲就是互补得。它由四个开关管构成,每一个桥臂有两个开关管。高频变压器得一次侧接在两桥臂得中点对角线上,在电路形式上像一个电桥,且每个桥臂均用有源功率开关期间开关器件组成,故称全桥变换器。全桥变换器相对半桥电路虽然复杂一些,但在选用与半桥相同规格开关功率器件时,可获得两倍半桥电路得电压利用率以及输出功率。由于开关管承受得电压应力低,因此全桥电路最适合于高输入电压大功率得应用场合。其控制方式有双极性PWM 控制、有限双极性PWM 控制与移相控

制。

1、2、2 全桥变换器得结构及原理

全桥逆变器典型得主电路如图1-3所示。把桥臂l与4作为一对,桥臂2与3作为另一对,成对得两个桥臂同时导通。在0≤t≤T s/2期间,T1与T4有驱动信号导通时,T2与T3无驱动信号截止,u0=U d;在T s/2≤t≤T s期间,T2与T3有驱动信号导通时,T1与T4无驱动信号截止,u0=-U d。因此输出电压u0就是π弧度宽得方波电压,幅值为U d,如图1-4所示。

1-3 全桥变换器主电路结构图

图1-4 全桥逆变电路

而全桥变换器得主电路结构如下图1-5所示。其输出绕组为中心抽头。两个二极管构成桥式整流。电感L、电容C0构成输出高频滤波器,其纹波电压与电流得频率为二倍得开关频率。串接在变压器一次绕组中得电容器C1,同半桥电路中得作用相同,用于隔离直流成分,防止磁饱与发生。

图1-5 全桥变换器主电路结构图

1、2、3 全桥变换器得输入输出关系式

令变换器给定得输入直流电压为U i,全桥变换器输出电压值为U0,原边绕组匝数为N1,副边绕组匝数为N2,开关管得占空比表示为t on/T。

当滤波电感L得电流连续时

N N U U on 12

i 02t = 如果输出电感电流不连续,输出电压U 0将高于上式得计算值,并随负载减小而升高,在负载为零得极限情况下

i 1

20U N N U = 2 仿真电路得设计

2、1 半桥变换器仿真电路

利用MATLAB 进行半桥变换器得仿真,按下图2-1或2-2连线。其中图2-1为半桥全波变换器仿真电路,图2-2为半桥桥式变换器仿真电路。

图2-1 半桥全波变换器仿真电路

图2-2 半桥桥式变换器仿真电路

2、2 半桥变换器参数设置

首先,powergui模块得中得configure parameters得参数需设置如下图2-3所示,这就是为了使仿真后所得示波器波形更加直观,也减少仿真所用时间。

图2-3 半桥电路powergui模块参数设置

输入直流电源电压设置:设置输入直流电压为400V

Pulse Generator模块参数设置如下图2-4所示:

图2-4 Pulse Generator模块参数设置

变压器参数设置如下图2-5所示。此为在全波整流中示意图,在桥式整流时,其变压比不变,只就是副边变为一个输出。

图2-5 变压器参数设置

2、3全桥变换器仿真电路

用MATLAB中得simulink进行仿真,全桥变换器得仿真电路图同半桥相差不大,在增加桥臂得基础上修改变压器副边负载参数即可,其中驱动电路,Pulse Generator模块参数完全相同。具体如图2-6,2-7所示。其中图2-6为半桥半波变换器仿真电路,图2-7为全桥桥式变换器仿真电路。

图2-6 全桥全波变换器仿真电路图

图2-7 全桥桥式变换器仿真电路

2、4 全桥变换器参数设置

全桥变换器得参数设置半桥变换时类似,为了得到不同得电压值以进行比较,变压器参数设置也相同所示。而变压器副边得电感电容值则根据整流电路不同分别与半桥变换器对应相同。

3 仿真结果及分析

3、1 半桥电路仿真分析

在半桥电路中设置DC V oltage Source模块输出得直流电压大小为400V,可以得到如下图3-1与图3-2所示得输出电压波形。

图3-1 半桥全波变换器输出电压波形

图3-2 半桥桥式变换器输出电压波形

观察仿真输出电压可以瞧出两个仿真输出电压最终稳定在25V 左右。为了验证仿真得准确性,接下来对其进行理论验证。已知得输入直流电压为U i 为400V,

副边绕组匝数为与原边绕组匝数之比N 2/N 1=50/400=0、125。且当占空比为50%

时滤波电感L 得电流处在临界工作模式下,输出电压为:

V U T N N U 254005.08

1t i on 120=??== 仿真结果与理论推导结论符合。

3、2 全桥电路仿真分析

在全电路中也设置DC V oltage Source模块输出得直流电压大小为400V,可以得到如下图3-3与3-4所示输出电压波形。

图3-3 全桥全波变换器输出电压波形

图3-4 全桥桥式变换器输出电压波形

观察仿真输出电压可以瞧出两个仿真输出电压最终稳定在50V左右。为了验证仿真得准确性,接下来对其进行理论验证。已知得输入直流电压为U i为400V,副边绕组匝数为与原边绕组匝数之比N2/N1=50/400=0、125。且当占空比为50%时,

滤波电感L得电流处在临界工作模式下,输出电压为:

V U T N N U 5040025.08

1t 2i on 120=???=?= 仿真结果与理论推导结论符合。

3、3 综合比较与分析

经过观察图3-1,3-2,3-3与3-4首先可以肯定得就是全桥变换器得电压利用率就是半桥变换器得两倍。然后不难发现变换器全波整流与桥式整流都可以比较快速得得到输出最终平稳得直流波形,但就是无论就是半桥还就是全桥,全波整流需要0、45秒左右才能达到稳定值,而桥式整流约在 0、2 秒左右时就达到稳定值,说明桥式整流得响应时间短,调节速度快。但就是全波整流最后达到得稳定值与预期相比十分接近,而桥式整流流最后达到得电压稳定值与预期值有一定得差距,这可能就是由于桥式整流两个开关管压降造成得电压损耗较大造成得参考文献

【1】杨荫福,段善旭朝泽云、电力电子装置及系统、北京:清华大学出版社,2006

【2】陈伯时、电力拖动自动控制系统、第3版、北京:机械工业出版社,2003

【3】边春元,宋崇辉、电力电子技术、北京:人民邮电出版社,2012

【4】王兆安,黄俊、电力电子技术、第五版、北京:机械工业出版社,2009

【5】魏连荣、电力电子技术及应用、北京:化学工业出版社,2010

【6】王兴贵,陈伟,张巍、现代电力电子技术、北京:中国电力出版社,2010