电力电子电路仿真-武汉理工课程设计.doc

武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书目录摘要11 设计原理21.1设计要求分析21.2 开关电源概述21.3半桥逆变器设计31.2.1半桥逆变器概述31.2.2 半桥变换器的电路结构及作用31.2.3 半桥变换器的工作原理41.2.4 半桥变换器的输入输出关系式51.3 全桥变换器设计61.3.1全桥变换器的概述61.3.2 全桥变换器的结构及作用61.3.3 全桥变换器的工作原理71.3.4 全桥变换器的输入输出关系式81.4 半桥、全桥变换器性能比较81.5 全波整流与桥式整流设计91.6 闭环的控制方法与实现101.6.1 PWM的调制方法101.6.2 PID控制器111.6.3 闭环控制方法与实现122 仿真电路的设计142.1 半桥变换器仿真电路142.2 全桥变换器的仿真电路图152.3仿真参数设置162.4闭环仿真原理图及参数设置173 仿真结果及分析202.1 半桥电路输入输出电压关系式证明202.2全桥电路输入输出电压关系式证明202.3 全波、桥式整流性能比较212.4 闭、开环控制性能比较234 小结24参考文献25摘要20世纪60年代大量应用的线性调节器式直流稳压电源，由于它存在着以下诸多的缺点，如体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用等，已开始被开关调节器式直流稳压电源所取代。本次设计主要是针对开关电源中的半桥变换器、全桥变换器进行设计电路设计及仿真，并推导、验证输入输出电压的关系式。设计了400V/25V的半桥变换器和400V/50V的半桥变换器，每种变换器均采用了全波、桥式整流两种方法实现。电路主要由逆变桥、变压器、整流桥构成，并设计了滤波电路、吸收电路来减少波形脉动。通过仿真，验证了在相同变压器变比的情况下，全桥电路的输出电压比半桥电路高一倍的结论，最后使用闭环控制，对半桥、全桥变换器进行了优化。 关键字：开关电源 半桥变换器 全桥变换器PWM控制电力电子电路仿真1 设计原理1.1设计要求分析本次设计主要需要完成两个任务：一是需要完成对半桥变换器、全桥变换器的结构设计，拟定参数，并理论推导输入、输出电压表达式关系；二是通过simulink对半桥、全桥变换器的设计进行仿真，佐证之前推导的输入输出关系式。半桥、全桥变换器的输出均有全波整流和全桥整流两种形式，本文对两种形式均作了仿真，通过全波整流条件和全桥条件下分别比较半桥、全桥的输出，来说明半桥、全桥之间输出的差异。1.2 开关电源概述高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路、控制及保护电路组成。本次设计主要针对功率变换电路。功率变换电路的种类很多，有BUCK变换器、BOOST变换器、BUCK/BOOST变换器、正激变换器、反激变换器、推挽式变换器、半桥变换器、全桥变换器等，本次设计研究的是半桥和全桥变换器。本次设计的半桥和全桥变换器属于间接直流变流电路。带隔离的直流直流变流电路同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直交直电路。间接直流变流电路的结构图如下所示： 图1-1 间接直流变流电路的结构图l 采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因： l （1）输出端与输入端需要隔离。 l （2）某些应用中需要相互隔离的多路输出。 l （3）输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 l （4）交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。 l 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。 1.3半桥逆变器设计1.2.1半桥逆变器概述半桥逆变器实际上是由两个单端正激变换器组合而成的。其中一个桥臂有两个特性相同、容量相等的电容器承担，每个电容承担二分之一的电源电压；另一桥臂由两个受PWM信号控制驱动的功率开关管承担，故称为半桥逆变器。输出从两桥臂的中点取出，或接高频变压器隔离变压。两个PWM信号互补。半桥变换器高频变压器的磁芯也是双向磁化，工作在磁化曲线的第一象限和第三象限。由于开关器件特性的不对称、驱动电路的不对称等原因，会引起直流分量，产生偏磁并可能因积累而使变压器磁饱和，产生过大的电流，使变压器的效率因损耗而降低，严重时会使开关器件损坏，因此在半桥路中应用防偏磁措施。另外，由于强电磁干扰，两只开关管因误触发可能同时导通，即形成直通而造成逆变崩溃，为此应该有抗电磁干扰抑制措施，特别是驱动电路的屏蔽、布局工艺。半桥电路单端正激、推挽电路相比，因开光管只承受电源电压的电压应力，可用于输入电压高的场合。1.2.2 半桥变换器的电路结构及作用 在高压开关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换器电源电路。其电路如图1-2所示。图1-2 半桥变换器主电路结构图及波形由上图所示，半桥变换器输入侧主要由两只电容和两只高压晶体管组成。当两只晶体管都截止时，若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点a的电压为输入电压的一半。当VTl导通时，电容C2将通过VTl、变压器初级绕组N1放电；同时，电容C2则通过输入电源、VTl和Tl的原边绕组Nl充电。中点a的电位在充、放电过程中将按指数规律下降。在VTl导通结束时，a点的电位为1/2Ui-Ui，且两只晶体管全都截止。两只电容和两只高压晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输入电源电压的一半。相反，VT2导通时，C2放电、C1充电，a点的电位将增至1/2Ui+Ui，即a点电位在开关过程中将在1/2Ui的电位上以Ui的幅值进行指数变化。由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈在整个周期中都流过电流，磁心利用得更充分。半桥式变换器电路的主要优点是其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较低，绝不会超过输人电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电容的耐压也可以减小。但是因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式电路相比，欲输出相同的功率，则开关晶体管必须流过2倍的电流。所有双极性变换器，输出除采用全波还可以采用桥式整流或倍流整流，视应用场合而定。1.2.3 半桥变换器的工作原理开关管VT1与VT2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 VT1导通时，二极管VD1处于通态，VT2导通时，二极管VD2处于通态; 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 VT1或VT2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。VT1和VT2断态时承受的峰值电压均为Ui。 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 1.2.4 半桥变换器的输入输出关系式变压器一次侧电压幅值为。变压器二次侧整流电压副值为：设一个周期内，每个开关管开通的时间为，则变压器两端有电压的时间为2。当滤波电感L的电流连续时，输出电压为： 故可得电流连续时输入输出电压的关系式为：如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， 1.3 全桥变换器设计1.3.1全桥变换器的概述全桥变换器的电路相当于两组双管正激式变换器电路的组合。两组的驱动PWM脉冲是互补的。它由四个开关管构成，每一个桥臂有两个开关管。高频变压器的一次侧接在两个桥臂的中点对角线上，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。 全桥变换器的变压器磁芯也工作于双向磁化状态，即工作在磁化曲线I，III象限。同板桥电路一样，也存在偏磁可能，导致变压器磁饱和现象发生，需要采取防偏磁措施。为防止同一桥臂可能发生直通现象，需要精心设计驱动电路及抗干扰电路。全桥变换器每次导通期间，形成两个管压降，其损耗较推挽变换器大，但开关截止时承受的电压应力为电源电压，是推挽电路的一半。全桥变换器相对单管和双管推挽、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的输出功率。由于开关管承受的电压应力低，因此全桥电路最适合于高输入电压大功率的应用场合。其控制方式有双极性PWM控制、有限双极性PWM控制和移相控制。1.3.2 全桥变换器的结构及作用 全桥变换器典型的主电路如图1-3所示。图1-3 全桥变换器主电路结构图及波形由上图所示，四个开关管VT1VT4构成桥式电路，理论上，它们应该并联四只二极管VD1VD4用于能量恢复，清除漏感产生的部分瞬时过电压，但此原理图中没有画出。变压器一次绕组N1接在对角线上， 对角的开关管在PWM驱动信号作用下同时导通或截止，即VT1、VT4导通时，VT2、VT3截止、反之亦然。在一次及二次绕组上形成极性相反的对称方波脉冲电压。输出绕组为中心抽头。二极管VD1VD4构成桥式整流。电感L、电容C0构成输出高频滤波器，其纹波电压和电流的频率为二倍的开关频率。串接在变压器一次绕组中的电容器C1，同半桥电路中的作用相同，用于隔离直流成分，防止磁饱和发生。1.3.3 全桥变换器的工作原理全桥变换器的控制方式有双极性PWM控制、有限极性PWM控制和移相控制三种方式，本设计只讨论传统的PWM控制全桥变换器的工作原理。同半桥变换器一样的原因，研究分析其半周期的工作过程，即VT1、VT4导通与截止的过程。另外半周期的工作过程，即VT2、VT3导通与截止的过程，与前半周相似，只是一次侧的电压电流极性及二次侧电压极性与前半周相反而已。全桥变换器的工作过程如下：全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 当VT1与VT4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升； VT2与VT3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。VT1和VT2断态时承受的峰值电压均为Ui。 如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 1.3.4 全桥变换器的输入输出关系式变压器一次侧电压幅值为。变压器二次侧整流电压幅值为：设一个周期内，每个开关管开通的时间为，则变压器两端有电压的时间为2。当滤波电感L的电流连续时，输出电压为： 故在滤波电感电流连续时，输入输出电压的关系式为： 输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下： 1.4 半桥、全桥变换器性能比较半桥、全桥变换器性能比较见表1。表1 半桥、全桥变换器性能比较电路优点缺点功率范围应用领域全桥变压器双向励磁，容易达到大功率 结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路 几百W几百kW 大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等 半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低 有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW 各种工业用电源，计算机电源等半桥变换器主要特性及使用场合：变压器利用率高；开关管承电压应力低，可做到与输入电压V相等，开关器件参数不一致是，有偏磁可能；漏感会引起占空比丢失；在相同Ip下，输出功率与单端正激相当。适用于输入电压高、中等功率的场合。全桥变换器主要特性及使用场合：变压器磁芯双向磁化，利用率高；开关管承电压应力低，可做到与输入电压V相等；在相同Ip下，输出功率比半桥高出一倍；开关器件参数不一致是，有偏磁可能性；驱动电路复杂，四组均需隔离；开关器件比半桥多出一倍。适用于输入电压高、输出功率大的场合。1.5 全波整流与桥式整流设计双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。 a） 全波整流电路 全波整流电路原理图如下：图1-4 全波整流电路原理图由上图所示，全波整流电路只需2个二极管，但是需要接二次绕组有分接抽头的变压器。输出LC滤波。其特点如下：优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。 b） 全桥电路的特点 全桥整流电路原理图如下：图1-4 全桥整流电路原理图由上图所示，全波整流电路需要4个二极管，但是变压器只需采用普通双绕组变压器。输出同样LC滤波。其特点如下：优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。 缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。 适用场合：高压输出的情况下。 1.6 闭环的控制方法与实现1.6.1 PWM的调制方法 PWM控制技术，是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。 本章利用的就是等脉宽PWM法，利用直线与三角波进行比较，下图就是我们所需要的开关触法脉冲图1-5 原边开关管的电压和触发脉冲波形1.6.2 PID控制器PID控制器是最早发展起来的控制策略之一。因为PID控制器所涉及的设计算法和控制结构都是很简单的，并且十分适用于工程应用背景，此外PID控制方案并不要求精确的控制对象的数学模型，且采用PID控制的控制效果一般是比较令人满意的，所以工业界实际应用中PID控制器是应用最广泛的一种控制策略，且都是比较成功的。连续PID控制器是如图3.8所示的串联控制器的一种常用类型。在实际生活中，PID控制器计算出来的控制信号还应该经过一个驱动器后去控制受控对象，而驱动器一般可以近似为一个饱和非线性环节，这是PID控制系统结构如图3-1所示。在控制系统中可能存在各种各样的扰动信号。另外，在实际控制中，用于检测输出信号的仪器也难以避免得存在噪声扰动信号，可以理解成高频率噪声信号，定义成量测噪声。图1-6 PID类控制器的基本结构连续PID控制器的最一般形式为其中,和分别是对系统误差信号及其积分与微分量的加权，控制器通过这样的加权就可以计算出控制信号，驱动受控对象模型。如果控制器设计得当，控制信号将能使误差按减小的方向变化，达到控制要求。 PID控制的结构简单，另外，这三个加权系数,和都有明显的物理意义：比例控制器直接影响应于当前的误差信号，一旦发生误差信号，则控制器应立即发生作用，以减少偏差。一般情况下，的值大则偏差将变小，且减小对控制中的负载扰动的敏感度，但也将对测量噪声更敏感。考虑根轨迹分析，无限制的增大闭环系统不稳定；积分控制器对以往的误差信号发生作用，引入积分控制能消除控制中的静态误差，但的值增大可能增加系统的超调量、导致系统振荡，而小则会使得系统响应趋于稳定值的速度减慢；微分控制器对误差的导数，亦即误差的变化率发生作用，又一定的预报功能，能在误差有大的变化趋势时施加合适的控制。的值增大能加快系统的响应速度，减小调节时间，过大时会因系统噪声或受控对象的大时间延迟出现问题。1.6.3 闭环控制方法与实现为了将输出电压稳定控制在设定值，我们对系统采用闭环控制。当输出电压波动时,通过调整开关管的导通占空比来调节输出电压。闭环控制系统的结构如图1-7所示，由给定环节、比-较环节、校正环节、放大环节、执行机构、被控对象和检测装置组成。给定环节定义为输出电压25V或50V；检测环节将实际输出的电压检测出来；比较环节将要求的输出电压与实际输出电压作比较求取偏差；校正环节将根据偏差的极性、大小调整开关管的通断时间；放大环节将校正环节的输出调整为适当的比例。图1-7 控制系统结构图以半桥闭环控制为例，设计闭环控制回路如图1-8所示，控制回路由PID控制器，限幅元件，比例环节组成。将输出电压取为反馈，极性取负；要求的稳态输出电压25V作为给定，极性取正。将输出电压与给定电压作比较，经过PID调节、限幅后，与给定电压25V相加，再经过比例缩小，作为PWM调制中的比较电压。其中，PID控制器起到放大偏差、消除误差的作用，为了避免积分环节将偏差无限积分、放大，可能烧坏元件，所以必须引入限幅环节。将调节过的偏差信号与给定电压相减作为比较电压。图3-10 PID控制回路2 仿真电路的设计2.1 半桥变换器仿真电路利用MATLAB进行半桥变换器的仿真时，为了便于说明，进行了两种方式的波形仿真，分别为半桥变换器全波整流电路和桥式整流电路，其中全波整流电路电路图如图2-1所示，桥式整流如图2-2所示。图2-1 半桥变换器全波整流仿真电路图图2-2 半桥变换器桥式整流仿真电路图2.2 全桥变换器的仿真电路图 用MATLAB中的simulink进行仿真，全桥变换器的仿真电路图同半桥一样，也采用了全桥变换器全波整流和桥式整流两种方式，分别如图2-3、图2-4所示。图2-3 全桥变换器全波整流仿真电路图图2-4 全桥变换器桥式整流仿真电路图2.3仿真参数设置输入直流电源电压设置：设置输入直流电压为400V。图2-5输入直流电源电压设置变压器参数设置：设置原边电压为400V。对于全波整流电路，二次绕组和三次绕组的电压均为50V。对于桥式整流电路，二次绕组电压为50V。变比均为1/8。原副边电阻、电感量均相等。图2-6 变压器参数设置脉冲信号发生器设置：设置幅值为1V，脉冲周期为0.01s，占空比为50%。图2-7脉冲信号发生器参数设置线路电感、电容设置较多，仿真参数值就不一一列出。2.4闭环仿真原理图及参数设置图2-8 半桥闭环主电路图2-8是对半桥DC-DC变换器系统的模型的搭建。为了避免当两个开关管同时导通时造成的直流回路短路, 故控制每个开关管占空比为25%，根据变压器计算，线圈匝数为，满足使半桥DC/DC变换器将400V的直流输入变压至要求的25V，并且动态性能和稳态性能较开环控制有了一定提升。图2-9 开关管控制脉冲仿真模块当开关管满足25%占空比时输出电压为25V,要求反馈回路形成的直线与三角波比较时，形成的PWM脉宽调制信号的脉宽长度相当于整个的50% 。反馈电压与给定25V电压比较后，经过PID环节和限幅环节，再与给定25V进行比较,与0.04 相乘后得到0.5V的直流电压，与幅值为1V的三角载波比较，三角波大于直线时,输出为1,三角波小于直线时输出0，得到PWM控制脉冲。图2-10 三角载波形成电路使用信号发生器输出sawtooth的三角波。幅值为2，频率为200HZ，取绝对值，负变正，然后向下平移一个单位，得出我们所需要的三角载波。 全桥电路与半桥电路类似，参数设置上，给定电压改为50v，比例增益改为0.01，其他与半桥相同，就不再阐述。全桥闭环主电路如下所示。图2-11 全桥闭环控制主电路3 仿真结果及分析2.1 半桥电路输入输出电压关系式证明半桥变换器全波整流仿真波形图如图3-1所示：图3-1半桥变换器全波整流仿真波形图由波形图可知输出直流电压约为25V。由之前推导的半桥变换器输入输出关系式，以及仿真设置参数输入直流电压为400V，,。可得理论输出电压仿真结果很好地验证了输入输出的关系式。2.2全桥电路输入输出电压关系式证明全桥变换器全波整流仿真波形图如图3-2所示：图3-2全桥变换器全波整流仿真波形图由波形图可知输出直流电压约为50V。由之前推导的半桥变换器输入输出关系式，以及仿真设置参数输入直流电压为400V，,。可得理论输出电压仿真结果很好地验证了输入输出的关系式。2.3 全波、桥式整流性能比较 将上述四个电路图在MATLAB中进行仿真，在相同的元器件参数的条件下，得到的半桥变换器输出电压波形分别如图3-3、3-4所示图3-3半桥变换器全波整流仿真波形图图3-4 半桥变换器桥式整流仿真 图3-5 半桥变换器全波整流、桥式整流稳定波形比较将上述两半桥变换器波形图进行比较可知：1、半桥变换器全波整流和桥式整流都可以快速的得到平稳的直流波形，但是全波整流需要0.6秒左右才能达到稳定值，而桥式整流约在0.4秒时就达到稳定值，说明桥式整流的调节时时间更为迅速，由此说明桥式整流的调节性能较好一些。2、通过全波整流、桥式整流稳定波形比较可以看出，全波整流的输出电压幅值较理想值25V略大，桥式整流的输出电压幅值较理想值略小，可能是由于桥式整流两个管压降造成的电压损耗较大造成。3、 在输出电压基本达到稳定后，桥式的上下波动比全波整流的要小，这也说明了桥式整流的稳定性好。