桥式变换器仿真

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书目 录摘 要I1 设计原理11.1 半桥变换器11.1.1 半桥逆变器的概述11.1.2 半桥变换器的电路结构及原理11.1.3 半桥变换器的输入输出关系式31.2 全桥变换器31.2.1全桥逆变器的概述31.2.2 全桥变换器的结构及原理41.2.3 全桥变换器的输入输出关系式52 仿真电路的设计62.1 半桥变换器仿真电路62.2 半桥变换器参数设置62.3全桥变换器仿真电路82.4 全桥变换器参数设置93 仿真结果及分析103.1 半桥电路仿真分析103.2 全桥电路仿真分析113.3 综合比较与分析12心得体会13参考文献142摘 要随着电力

2、电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。而开关电源实质上就是直流DC/DC转换器。本设计采用的是隔离式DC/DC转换器。将400V的直流电先进行逆变，通过变压器隔离变压后再进行整流，最后的得到接近于25V的直流稳压电源。由于逆变主电路以及整流主电路的形式多种多样，本次设计中逆变主电路结构采用半桥式和全桥式两种，整流主电路采用全波整流和桥式整流，因此最后的方案有四种，分别是：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13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

3、逆变器的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。其中一个桥臂由两个特性相同、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。半桥电路输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，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的电压均衡；但是在半桥电路中，可以利用两个大电容C1、C2自动补偿不对称波形，这是半桥电路的一大优点。因此半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电路。 1.1.2 半桥变换器的电路结构及原理半桥逆

4、变器结构如图1-1所示。它由两个容值相等的电容C1和C2构成一个桥臂，开关管T1和T2及反并联二极管D1和D2构成另一个桥臂，两个桥臂的中点A和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UC1=UC2=0.5Ui。当Tl导通时，电容C2将通过Tl、变压器初级绕组放电；同时，电容C1则通过输入电源、Tl和变压器的原边绕组充电。中点A的电位在充、放电过程中将按指数规律下降，其值大小为Ui。在Tl导通结束时，A点的电位为0.5Ui-Ui，且两只开关管全都截止。两只电容和两只高压开关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，T2导

5、通时，C2放电、C1充电，A点的电位将增至0.5Ui+Ui，即A点电位在开关过程中将在0.5Ui的电位上以Ui的幅值进行指数变化。图1-1 半桥逆变器主电路结构图半桥逆变器处于变压器的原边，要实现半桥变换需要同副边的整流电路配合，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的工作如下：当原边绕组N1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N1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，且两者分得的电流近似相等。在它们都导通时，副边电压钳位到零。1.1.3 半

6、桥变换器的输入输出关系式 令变换器给定的输入直流电压为Ui，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，开关管的占空比表示为ton/T。当滤波电感L的电流连续时如果输出电感电流不连续，输出电压U0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1.2 全桥变换器1.2.1全桥逆变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。全桥变换器相对半桥

7、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电压利用率以及输出功率。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。1.2.2 全桥变换器的结构及原理 全桥逆变器典型的主电路如图1-3所示。把桥臂l和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通。在0tTs/2期间，T1和T4有驱动信号导通时，T2和T3无驱动信号截止，u0=Ud；在Ts/2tTs期间，T2和T3有驱动信号导通时，T1和T4无驱动信号截止，u0=-Ud。因此输出电压u0是弧度宽的方波电压，幅值为U

8、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的主电路结构如下图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。图1-5 全桥变换器主电路结构图1.2.3 全桥变换器的输入输出关系式 令变换器给定的输入直流电压为Ui，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，开关管的占空比表示为ton/T。当滤波电感L的电流连续时如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高

9、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，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模块的中的configure parameters的参数需设置如下图2-3所示，这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 400VPulse G

10、enerator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中的simulink进行仿真，全桥变换器的仿真电路图同半桥相差不大，在增加桥臂的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

11、仿真电路2.4 全桥变换器参数设置全桥变换器的参数设置半桥变换时类似，为了得到不同的电压值以进行比较，变压器参数设置也相同所示。而变压器副边的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 Voltage Source模块输出的直流电压大小为400V，可以得到如下图3-1和图3-2所示的输出电压波形。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看出两个仿真输出电压最终稳定在25V左右。为了验证仿真的准确性，接下来对其进行理论验证。已知的输入直流电压为Ui为400V，副边绕组匝数

12、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的电流处在临界工作模式下，输出电压为：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 Voltage Source模块输出的直流电压大小为400V，可以得到如下图3-3和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看出两个仿真输出电压最终稳定在50V左右。为了验证仿真的准确性，接下来对其进行理论验证。已知的输入直流电压为Ui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

13、空比为50%时，滤波电感L的电流处在临界工作模式下，输出电压为：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和3-4首先可以肯定的是全桥变换器的电压利用率是半桥变换器的两倍。然后不难发现变换器全波整流和桥式整流都可以比较快速的得到输出最终平稳的直流波形，但是无论是半桥还是全桥，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，说明桥式整流的响应时间短，调节速度快。但是全波整流最后达到的稳定值与预期相比十分接近，而桥式整流流最后达到的电压稳定值与预期值有一定的差距，这可能是由于桥式整流两个开关管压降造成的电压损耗较大造成的参考文献【1】杨荫福，段善