实验1213 桥式可逆斩波电路设计

1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书桥式可逆斩波电路的设计1 设计任务1.方案设计2.完成主电路的原理分析,各主要元器件的选择3.驱动电路的设计4.绘制系统硬件图5.利用matlab仿真软件建模并仿真，获取输出电压电流波形，并对结果进行分析 2 初始条件 设计一桥式可逆斩波电路（IGBT），已知电源电压为400V，反电动势负载，其中R的值为5、L 的值为1 mH、E=50V。3 设计思路首先明确什么是斩波电路，了解其定义、分类与应用后知桥式可逆斩波电路是利用不同的基本斩波电路进行组合而构成的复合斩波电路，那么，就必须从最基本的斩波电路着手，循序渐进地分析，最后设计出桥式可逆斩波电路,并利用m

2、atlab软件得到正确的波形。4 设计过程直流-直流变流电路（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出不隔离。直流斩波电路的种类较多，最基本的电路是降压斩波电路和升压斩波电路，利用它们进行组合可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路，而桥式可逆斩波电路又可看做是电流可逆斩波电路的升级版或由两个电流可逆斩波电路组合而成。4.1 降压斩波

3、电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示。降压斩波电路的原理图及工作波形如图1所示。 图1降压斩波电路的原理图及工作波形a)电路图 b)电流连续时的波形 c)电流断续时的波形工作原理 ：t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升；t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。数量关系：电流连续时，负载电压平均值是tonV通的时间， toffV断的时间，a-导通占空比 Uo最大为E ，

4、减小占空比a，Uo随之减小，因此称为降压斩波电路。 负载电流平均值是电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现。 4.2 升压斩波电路升压斩波电路的原理图及工作波形如图2所示。图2 升压斩波电路原理及其工作波形a)电路图 b)波形工作原理：假设L值很大，C值也很大。V导通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo可以看做为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 。V断时，E是L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 。稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等。即有:化简得：输出电压高于电源电压，

5、故称该电路为升压斩波电路,也称之为boost变换器。 升压比，调节其大小即可改变Uo大小。将升压比的倒数记作，则和导通占空比a有如下关系：因此升压斩波电路的典型应用：一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（PFC）电路，三是用于其他交直流电源中。用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形如图3所示。图3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a) 电路图 b)电流连续时 c)电流断续时用于直流电动机传动时，通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源。实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。此时电机的反电

6、动势相当于 图2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容。4.3 电流可逆斩波电路斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路拖动直流电动机时，如图1所示，电动机工作于第1象限。图3所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。其电路及其波形如图4所示。图4 电流可逆斩波电路及其波形a) 电路图 b)波形工作原理：V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向

7、直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限；V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限。要引起注意的是必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态，只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态。第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。以 图4为例说明。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。局限性：电流可

8、逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的。由此思路设计出桥式可逆斩波电路。4.4 桥式可逆斩波电路当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路，如图5所示。图5 桥式可逆斩波电路工作原理：当使V4保持通态时，该斩波电路就等效为图4所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态。此时，需防止V3导通造成电源短路。当使V2保持为通态时，V3、VD3、V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象

9、限。其中V3和VD3构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于第3象限即反转电动状态，而V4和VD4构成升压斩波电路，可使电动机工作于第4象限即反转再生制动状态。工作方式：双极性工作方式，单极性工作方式，受限单极性工作方式。4.4.1 双极性工作方式V1与V4同时通断， V2与V3同时通断；V1与V2通断互补， V3与V4通断互补。输出电压波形中电压有正有负，故称双极性，如图6所示。图6 桥式可逆斩波电路双极性工作方式波形a) 输出电压 b)电流连续时 c)电流断续时4.4.2 单极性工作方式V1与V2不断调制， V3与V4全通或全断；V1与V2通断互补， V3与V4通断互补。输出电压波形中电压

10、只有正或只有负，故称单极性，如图7所示。图7 桥式可逆斩波电路单极性工作方式波形a) 输出电压 b)电流连续时 c)电流断续时4.4.3 受限单极性工作方式V1不断调制，V4全通，V3与V2全断或V2不断调制，V3全通，V1与V4全断。输出电压波形中电压只有正或只有负，且轻载时电流也断续，故称受限单极性，如图8所示。图8 桥式可逆斩波电路受限单极性工作方式波形a) 输出电压 b)电流连续时 c)电流断续时5 仿真结果用matlab仿真桥式可逆斩波电路，首先得设计出用于触发四个IGBT的脉冲发生器，在此只仿真桥式可逆斩波电路工作于双极性工作方式的情形，即V1与V4同时通断，V2与V3同时通断；V

11、1与V2通断互补，V3与V4通断互补。脉冲发生器如图9所示。图9 脉冲发生器对控制四个IGBT通断的两个脉冲发生器的设置如下：对控制V1、V4的脉冲发生器设置如图10，对控制V2、V3的脉冲发生器的设置如图11所示。设置后需保证桥式可逆斩波电路工作在双极性状态，则两组脉冲发生器的相位应相差90度，即半个周期。图10 对控制V1、V4的脉冲发生器的设置图11 对控制V2、V3的脉冲发生器的设置设计最终的主电路图如图12所示。图12 主电路图仿真后得到的波形图如图13所示，上图为电压波形，下图为电流波形。图13 波形图设计总结相对于降压斩波电路和升压斩波电路的设计，桥式可逆斩波电路的设计更具难度与挑战性，可以说是前两者的有机复合。桥式可逆斩波电路在电力电子技术、电力拖动和电力系统及其他领域应用最为广泛。对于具有摩擦负载的直流调速系统需要能在四象限内运行的直流变换电路，从而发展出了桥式可逆斩波电路。调试桥式可逆斩波电路的相关参数并对负载的工作情况进行对比分析与研究，对工程实践具有较强的预测和指导作用。本文循序渐进地分析基本斩波电路，最后设计出了桥式可逆斩波电路。在设计的过程中，反复地翻阅课本及相关资料，加深了我对直流斩波电路的理解，在仿真过程中，更加熟练了对matlab的操作，收获颇丰！参考文献1 王兆安