基于MANTLAB的DC-DC电路主电路仿真分析毕业设计论文.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 基于 MANTLAB 的 DC DC 电路主电路仿真分析 摘 要 DC DC 电路 直流变换电路 在电力电子的领域里有很广泛的应用 它具有低功 耗 高转换效率 小型 轻便等优点 随着各种便携式电子设备的发展和普及 小 体积的 DC DC 转换器越来越受到人们的推崇也迎来了更大的发展空间 所以 对于 DC DC 电路的研究就具有很大的前景和意义 本文首先介绍了 DC DC 变换电路的分类和六种基本电路的结构 包括隔离型的 电流可逆斩波电路和多相多重斩波电路 非隔离型的正激电路 反激电路 半桥电 路和全桥电路 然后 介绍了每种电路的工作原理与过程 并在 MATLB 软件中构建 了各个电路的仿真模型和参数 利用 MATLAB 软件对各个电路调试和仿真 最终得到 了比较理想的仿真结果 最后 本论文在对每个电路的工作原理分析和子模型构建的基础上 利用 MATLAB 仿真软件对各个电路进行仿真 通过对仿真结果的观察和分析 验证了各主 电路工作原理和理论波形 证明了理论分析和设计的正确性 使读者对 DC DC 电路 能够有更深层次的认识 关键词 DC DC 电路 MATLAB 建模和仿真 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 Abstract DC DC circuit in the field of power electronics has a very wide range of applications it has low power consumption high efficiency small size light etc with a variety of portable electronic devices development and popularization of small volume of the DC DC converter is respected more and more people also ushered in a larger space for development So for DC DC circuit research on great prospects and significance This paper first introduces the classification of DC DC conversion circuit and six basic circuit structure including the isolation of current reversible chopper circuit and multiphase multiple chopper circuit the isolation of excitation circuit and fly back circuit half bridge circuit and the whole bridge circuit Then the paper introduces the working principle and process of various kinds of circuit And in the MATLB software to build the simulation model and the parameters of each circuit by using MATLAB software for each circuit debugging and simulation finally got ideal simulation result Finally we work on the principle of each circuit analysis and sub model construction based on the use of MATLAB simulation software for each circuit simulation through the observation and analysis of simulation results verify the working principle of the main circuit and the theoretical waveforms To prove the correctness of theory analysis and design to make the reader know the DC DC circuit can have a deeper level of Keywords DC DC circuit MATLAB Modeling and simulation 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 目 录 绪论 1 第一章 非隔离型 DC DC 变换电路 2 1 1 电流可逆斩波电路 2 1 1 1 主电路结构 2 1 1 2 工作原理与数量关系 2 1 1 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 4 1 2 多相多重斩波电路 三相三重 6 1 2 1 主电路结构 6 1 2 2 工作原理与数量关系 7 1 2 3 MATLAB 建模与仿真分析 8 第二章 单端正激电路 10 2 1 主电路结构 10 2 2 工作原理与数量关系 10 2 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 12 第三章 单端反激电路 15 3 1 主电路结构 15 3 2 工作原理与数量关系 15 3 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 16 第四章 半桥电路 20 4 1 主电路结构 20 4 2 工作原理与数量关系 20 4 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 21 第五章 全桥电路 23 5 1 主电路结构 23 5 2 工作原理与数量关系 23 5 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 24 结论 26 参考文献 27 谢辞 28 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 绪 论 开关电源 Switch Mode Paver Supply 即 SMPS 被誉为高效节能型电源 它代表着稳压电源的主流产品 半个世纪以来 开关电源大致经历了四个阶段 早 期的开关电源全部有分立元件构成 不仅开关频率低 损耗高 而且电路复杂 不 宜调试 在 20 世纪 70 年代研制出的脉宽调制器集成电路 仅对开关电源中的控制 电路实现了集成化 80 年代问世的单片开关稳压器 从本质上讲仍是 DC DC 电源变 换器 随着各种类型单片开关电源集成电路的问世 AC DC 电源变换器的集成化才 变为现实 稳压电源是各种电子的动力源 被人称为电路的心脏 所有用电设备 包括电子仪器仪表 家用电器 等对供电电压都有一定的要求 至于精密的电子仪 器 对供电电压的要求更为严格 所谓的 DC DC 直流稳压是指电压或电流的变化 小到可允许的程度 并不是绝对的不变 目前 随着单片开关电源集成电源的应用 开关电源正朝着短 小 轻 薄的 方向发展 单片开关电源自 20 世纪 90 年代中期问世以来便显示出来强大的生命力 它作为一项颇具发展和影响力的新产品 引起了国内外电源界的普遍重视 尤其是 最近两年来 国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路 更为新型开关电源的推广及奠定了良好的基础 单片开关电源具有集成度高 高性 价化 最简外围电路 最佳性能等指标 现已成为开发中小功率开关电源 精密开 关电源及电源模块的优选集成电路 DC DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压 这种技术被广泛应 用于无轨电车 地铁 列车 电动车的无级变速和控制 同时使上述控制具有加速 平稳 快速响应的性能 并同时收到节约电能的效果 用直流斩波器代替变阻器可节 约 20 30 的电能 直流斩波器不仅能起到调压的作用 开关电源 同时还能起 到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 第一章 非隔离型 DC DC 变换电路 1 1 电流可逆斩波电路 1 1 1 主电路结构 电流可逆斩波电路是一种复合斩波电路 它是由升压斩波电路和降压斩波电路 复合而成的 如图 1 1 所示 V1 V2 为 PWM 控制的开关器件 当 V1 图 1 1 电流可逆斩波电路 工作 VD1 导通时为降压斩波电路 电动机工作方式为电动运行 工作于第 1 象限 当 V2 工作 VD2 导通时为升压斩波电路 电动机工作方式为作再生制动运行 将能 量回馈电源 工作于第 2 象限 当 V1 和 V2 同时导通时 电源将被短路 所以应当 避免这种情况的发生 1 1 2 工作原理与数量关系 作为降压斩波器时 V2 和 VD2 处于断态 当 PWM 控制 V1 导通时 电源向负载 供电 负载电压 u0 E 负载电流 i0按指数规律上升 当 PWM 控制 V1 关断时 二极 管续流 负载电压 u0 0 负载电流呈指数规律下降 通常串接较大电感 L 使负载电流 连续且脉动小 作为升压斩波器时 V1 和 VD1 处于断态 电动机向电源回馈电能 因为直流电 源的电压基本是恒定的 所以不必并联电容器 一周期内作为降压斩波电路和升压斩波电路交替工作 在这种工作方式下 当 降压斩波电路或升压斩波电路的电流出现断续为零时 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 电机电流在一周期内沿正 反 两个方向流通 电流不断 所以响应很快 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 1 在降压斩波器中 a 电流连续时 负载电压 电流的平均值为 1 1 DEE tt t U offon on o 1 2 R EU I mo o 负载电流瞬时值的最小值和最大值分别为 1 3 R E m e e R E R E e e I m T t 1 1 1 1 10 1 1 4 R E m e e R E R E e e I m T t 1 1 1 1 20 1 式中 T m Em E t1 T T t1 把式 1 3 和式 1 4 用泰勒级数近似 可得 1 5 o I R Em II 2010 一个周期中 电源提供的能量与负载消耗的能量近似相等 有 1 6 TIETRItEI omoono 2 则 1 7 R EE I m o 电源电流平均值 I1为 1 8 oo on DII T t I 1 其值小于等于负载电流Io 由上式得 1 9 ooo IUEIEI 1 b 电流断续时有 I10 0 且 t ton tx时 i2 0 可以得出 1 10 m em tx 1 1 ln 由 tx toff 可得出电流断续的条件为 1 11 1 1 e e m 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 2 在升压斩波器中 当电路工作于稳态时 一个周期中电感L储存的能量与释 放的能量相等 1 12 offoon tIEUtEI 11 则 负载电压 电流的平均值为 1 13 E D Uo 1 1 1 14 R E DR U I o o 1 1 由于电流可逆斩波电路是由降压斩波器与升压斩波器复合而成 所以它的数量 关系可由降压斩波器与升压斩波器得到 储能电感 L 电流的文波分量是三角波 在稳态运行下 电流增益 在选择 I 的数值时 一般要求电感的峰值电流要小于其最大平均电 L I L TU on1 流的 20 以避免电感饱和 所以 电感电流的增量为 1 4 1 15 L I L TU on1 1 I 则可以得到所选电感值为 1 16 1 1 4 1 I TU L ON 1 1 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 启动 MATLAB 7 0 进入 SIMULINK 后新建文档 绘制电流可逆斩波电路仿真模 型如图 1 2 所示 双击各个模块 在出现的对话框中设置相应的电气参数 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 100V 2 电感 电阻 反电动势负载参数设置 L 1mH R 1 反电动势为 50V 3 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 振幅为 1V 频率为 1kHz 即周 期为 0 0001s 脉冲宽度为 50 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 设置好各元件参数后 将 MATLAB 工具栏中的仿真时间设为 0 03s 最终显示的是 0 02 0 03s 的电路波形 此时电路基本接近稳态 图 1 2 电流可逆斩波电路仿真模型 单击工具栏的按钮进行仿真 双击示波器模块 得到仿真结果如图 1 3 所 示 波形图由上到下依次为驱动信号 负载电流 负载电压 从图 1 3 可以看出 当负载电流降低到零时 并没有出现电流断续的情况 而 是反向电流增大 从而验证了仿真结果与理论分析相符 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 1 0 1 2 uGE 0 50 100 0 00 0 0 00 01 10 0 0 00 02 20 0 0 00 03 30 0 0 00 04 40 0 0 00 05 50 0 0 00 06 60 0 0 00 07 70 0 0 00 08 80 0 0 00 09 90 0 0 01 1 0 0 2 20 00 0 4 40 00 0 uo 图 1 3 电流可逆斩波电路仿真波形 1 2 多相多重斩波电路 三相三重 1 2 1 主电路结构 多相多重斩波电路是另一种复合概念的斩波器 前面介绍的电流可逆斩波电路 是由不同的基本斩波电路组合而成的 与此不同 多相多重斩波电路是在电源和负 载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的 一个控制周期中电源侧的电流 脉波数称为斩波电路的相数 负载电流脉波数称为斩波电路的重数 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 图 2 1 三相三重斩波电路 图 2 1 所示为三相三重降压斩波电路 该电路相当于由三个降压斩波电路单元 并联而成 总输出电流为三个斩波电路单元输出电流之和 其平均值为单元输出电 流平均值的三倍 而三个单元电流的脉动幅值互相抵消 使总的输出电流脉动幅值 变得很小 多相多重斩波电路的总输出电流最大脉动率 即电流脉动幅值与电流平 均值之比 与相数的平方成反比 且输出电流脉动频率提高 因此多相多重斩波电 路和单相斩波电路相比 在输出电流最大脉动率一定时 所需平波电抗器的总重量 大为减轻 1 2 2 工作原理与数量关系 当上述电路电源公用而负载为三个独立负载时 则为三相一重斩波电路 而当 电源为三个独立电源 向一个负载供电时 则为一相三重斩波电路 此时 电源电流为合可控开关的电流之和 其脉动频率为单个斩波电路时的三 倍 谐波分量比单个斩波电路时显著减小 且电源电流的最大脉动率也是与相数的 平方成反比 这使得由电源电流引起的感应干扰大大减小 若需滤波 只需接上简 单的 LC 滤波器就可充分防止感应干扰 多相多重斩波电路还且有备用功能 各斩波电路单元可互为备用 万一斩波单 元发生故障 其余各单元可以继续运行 使得总体的可靠性提高 由于多相多重电路由三个降压斩波电路单元并联而成所以数量关系可由 1 1 节 中降压斩波电路数量关系得到 1 2 3 MATLAB 建模与仿真分析 启动 MATLAB 7 0 进入 SIMULINK 后新建文档 绘制电流可逆斩波电路仿真模 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 型如图 2 2 所示 双击各个模块 在出现的对话框中设置相应的电气参数 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 200V 2 电感 电阻参数设置 L1 L2 L3 5mH R 2 3 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 振幅为 1V 频率为 1kHz 即周期 为 0 0001s 脉冲宽度为 20 三个驱动信号相位差依次相差 120 即 相差 0 33ms 图 2 2 三相三重斩波电路仿真模型 设置好各元件参数后 将 MATLAB 工具栏中的仿真时间设为 0 03s 最终显示的 是 0 02 0 03s 的电路波形 此时电路基本接近稳态 单击工具栏的按钮进行仿真 双击示波器模块 得到仿真结果如图 1 3 所 示 波形图由上到下依次为驱动信号 1 2 3 L1 L2 L3 电流 输出电压 电源 电流 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 1 1 0 0 1 1 2 2 uGE1 uGE2 uGE3 1 10 0 0 0 1 10 0 2 20 0 3 30 0 4 40 0 iL1 iL2 iL3 2 2 1 1 8 8 1 1 6 6 1 1 4 4 1 1 2 2 1 1 0 0 8 8 0 0 6 6 x x 1 10 0 3 3 1 10 0 2 20 0 3 30 0 4 40 0 Output voltage Source current 图 2 3 三相三重斩波电路仿真波形 从图 2 3 中可以看出 总输出电流为三个斩波电路单元输出电流之和 其平均 值为单元输出电流平均值的三倍 而三个单元电流的脉动幅值互相抵消 使总的输 出电流脉动幅值变得很小 与理论分析相符 验证了仿真结果的准确性 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 第二章 单端正激电路 2 1 主电路结构 单端正激电路实际上就是一个带隔离变压器的 Buck 变换电路 图 2 1 所示为单 端正激变换器 其中 Ui加一直流电源以提供能量 VD1是输出整流二极管 VD2是 续流二极管 L和C是输出滤波电感和滤波电容 隔离变压器有三个绕组 原边绕 组 W1 匝数 N1 副边绕组 W2 匝数N2 复位绕组W3 图 2 1 单端正激变换器 匝数N3 绕组中标有 的一端为同名端 VD3是复位绕组W3的串联二极管 通过 图中的开关 S 周期性的开通与关断来控制电路 2 2 工作原理与数量关系 开关 S 开通后 电源电压 Ui加在 N1上 一次绕组 N1的电流 i1线性上升 变 压器绕组 W1两端的电压为上正下负 与其耦合的 W2绕组两端的电压也是上正下负 因此 VD1处于通态 VD2为断态 电感电流 iL i1向负载供电 开关 S 关断后 三个绕组的电压均反向 W2 的电压下正上负使 VD1 关断 VD2 导通 iL 经 VD2 续流 变压器的励磁电流经 N3 绕组和 VD3 流回电源 所以 S 关断 后承受的电压为式 2 1 2 1 iS U N N u 1 3 1 在开关 S 开通后 由于 i1由零开始线性增加 直到 S 关断 所以必须保证在 S 关断期间使 i1的电流降到零 否则励磁电流会在本周期结束时的剩余值的基础上不 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 断增加 最终导致变压器励磁电感饱和 损坏电路中的开关元件 在正激电路中 变压器的磁芯复位很重要 磁芯复位过程见图 2 2 图 2 2 正激电路磁芯复位过程 变压器变压器绕组 W3 和 VD3 组成复位电路使变压器励磁电流在 S 关断期间流回电源 并逐渐的降到零 从 S 关断到绕组 W3的电流降到零所需的时间 trst见式 2 2 2 2 on 1 3 rst t N N t S 处于关断的时间必须大于 trst 这就可得到占空比 D Dmax N1 N1 N3 2 3 在输出滤波电感电流连续的情况下 即 S 开通时电感电流不为零 输出电压与 输入电压关系为 2 4 i 1 2 o DU N N U 对于变压器的设计 变比 2 5 DF UU DU U U N N 0 min1 min2 min1 2 1 式中 为变压器一次侧电压最小值 为二次侧电压最小值 min1 U min2 U 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 对于滤波电感与电容的设计 根据电路形式与电流文波的大小就可以确定出电 感值 由式 2 3 得 Dmax 再由 2 4 得到 因为输出电流 I0等于电感峰 0max U 值电流 所以有 2 6 L TU R U ON1max0 则 2 7 max0 1 U TU L ON 在 L C 滤波电路中 谐振频率一般为开关频率的 1 10 1 2 谐振频率 2 8 在确定 L 后则可确定滤波电容 C 的值 2 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 启动 MATLAB 7 0 进入 SIMULINK 后新建文档 绘制正激电路仿真模型如图 2 3 所示 双击各个模块 在出现的对话框中设置相应的电气参数 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 100V 2 电感 电容 电阻参数设置 C 40 F L 1mH R 4 3 变压器参数设置 UW1 100V UW2 100V UW3 100V 4 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 振幅为 1V 频率为 20kHz 即周 期为 0 00005s 脉冲宽度为 30 设置好各元件参数后 将 MATLAB 工具栏中的仿真时间设为 3ms 最终显示的是 2 5 3ms 的电路波形 此时电路基本接近稳态 单击工具栏的按钮进行仿真 双击示波器模块 得到仿真结果如图 2 4 所 示 波形图由上到下依次为开关管电压 开关管电流 电感电流 励磁电流和输出 电压 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 由图 2 4 可知 变压器的变比为 1 1 而脉冲发生器的占空比为 30 通过公式 2 4 计算可知 输出电压应为 100 100 30 30v 而由仿真波形图看到的输出电 压介于在 30v 左右 波形较为平滑 图 2 3 正激电路仿真模型图 由波形图可以看出 在Ton时刻 由于 D1截止 D2导通 D3截止 续流电感电 流增加 在Toff 时刻 由于 D1导通 D2截止 D3导通 续流电感开始放电 电流减 小 而开关管电压先由 200v 陡升至 100v 再减小到 0 通过分析可知 仿真电路较好的实现了预想的效果 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 5 50 0 0 0 5 50 0 1 10 00 0 1 15 50 0 2 20 00 0 2 25 50 0 iS uS 5 5 0 0 5 5 1 10 0 1 15 5 2 20 0 iL Magnatic current of Transformer 2 20 02 24 46 68 81 10 01 12 21 14 41 16 6 x x 1 10 0 5 5 0 0 2 20 0 4 40 0 6 60 0 Output Voltage 图 2 4 正激电路仿真波形 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 第三章 单端反激电路 3 1 主电路结构 Vs 1 n i1 V1 V2 i2 Vo Tr 图 3 1 单端反激变换电路 单端正激电路实际上就是一个带隔离变压器的 Buck Boost 变换电路 图 3 1 所 示为单端反激变换电路 它由整流二极管 电容 变压器和高频控制的开关管组成 3 2 工作原理与数量关系 单端反激变换器主要用在 250W 以下的电路中 其中的变压器既有变压器的作用 也有电感的作用 其有两种工作方式 一是完全能量转换方式 即电感电流断续工 作模式 二是不完全能量转换方式 即电感电流连续工作模式 当 Tr 导通时 电源电流流过变压器原边 i1 线性增加 W1 储能增加 而副边 由于二极管 D 的作用 i2 为 0 变压器磁芯磁感应强度增加 变压器储能 当 Tr 关断时 原边电流迅速降为 0 副边电流 i2 在反激作用下迅速增大到最 大值 然后开始线性减小 此时原边由于开关管的关断 电流为 0 变压器磁心磁 感应强度减小 变压器放能 此时 Tr 承受的电压为式 3 1 3 1 o 2 1 sU N N Uutr 当 Tr 开通时 W2 绕组中的电流尚未下降到零 则称工作于电流连续模式 输 出输入电压关系为 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 3 2 i 1 2 0 U 1 D U DN N Tr 开通前 W2 绕组中的电流已经下降到零 则称工作于电流断续模式 此时输 出电压高于 3 2 的计算值 在负载为零的极限情况下 所以应该避免 o U 负载开路状态 反激电路电流断续工作时 输出的电压 U0将高于电流连续时输出的电压 U0 并且随着负载的减小而升高 电流断续工作模式下 Tr 关断后在 t1 t2 时间段所承 受的电压为 Ui U0 t2 t3 时间段为 Ui 如图 3 2 所示 这是与电流连 tr u 1 N 2 N 续工作模式的区别 图 3 2 反激电路电流断续时的波形 3 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 在 MATLAB 中建立仿真模型如图 3 3 所示 各元件的参数设置如下 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 100V 2 电容 电阻参数设置 C 10 F R 50 3 变压器参数设置 UW1 100V UW2 100V 4 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 振幅为 1V 频率为 20kHz 周期为 0 00005s 仿真时间设置为 2ms 最终显示的是 1 5 2ms 的电路波形 此时电路基本接近 稳态 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 图 3 3 反激电路仿真模型图 图 3 4 是该反激电路占空比为 50 时的仿真结果 波形图由上到下依次为 开 关管电流 二极管电流 开关管电压和输出电压 由图可知 在开关管关断期间 开关管电压一直为零 由此可判断此时反激电路工作在电流连续模式 输出电压通 过式 3 2 计算 U0 1 50 50 100 100v 与仿真结果吻合 图 3 5 是该反激电路占空比为 10 时的仿真结果 波形由上到下依次为 开关 管电流 二极管电流 开关管电压和输出电压 由图可知在开关管关断时承受的电 压在 115v 左右 随后又降到 100v 左右 由此可判断此时该反激电路工作在电流断 续模式 输出电压通过式 3 2 计算 U0 1 10 90 100 11v 与仿真结果吻合 证明了仿真电路较好的实现了预想的效果 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 0 0 1 10 0 2 20 0 i S 0 0 1 10 0 2 20 0 i VD 0 0 1 10 00 0 2 20 00 0 3 30 00 0 u S 4 4 2 20 02 24 46 68 81 10 01 12 21 14 4 x x 1 10 0 5 5 0 0 1 10 00 0 2 20 00 0 Output Voltage 图 3 4 反激电路占空比为 50 仿真波形 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 0 0 2 2 4 4 6 6 i S 0 0 2 2 4 4 6 6 i VD 0 0 1 10 00 0 2 20 00 0 3 30 00 0 u S 4 4 2 20 02 24 46 68 81 10 01 12 21 14 4 x x 1 10 0 5 5 0 0 2 20 0 4 40 0 6 60 0 Output Voltage 图 3 5 反激电路占空比为 10 仿真波形 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 第四章 半桥电路 4 1 主电路结构 半桥电路实际上是由两个单端正激电路组成的 电路如图 4 1 所示 它有俩个 桥臂 其中一个桥臂由两个特性相同 容量相等的电容器组成 每个 图 4 1 半桥变换电路 电容承担二分之一的电源电压 另一桥臂由两个受 PWM 信号控制驱动的开关器件 此处为场效应管 组成 故称为半桥逆变器 两个 PWM 信号互差 180 的相位差 通过隔离变压器向负载提供能量 4 2 工作原理与数量关系 通过 VD1 VD2的交替导通 使变压器有幅值为 2 的交流电压 i U 当 VD1导通 VD2截止时 VD1承受的电压为零 VD2承受的电压为电源电压 Ui 电 容 C01通过 VT1 变压器初级绕组 N1放电 同时 电容 C02则通过输入电源 VT1和 N1绕组充电 同理 当 VD2导通 VD1截止时正好相反 VD1或 VD2导通 电感 L 电流 升高 当 VD1 VD2都截止时 由于 C01 C02电容相等 每个开关管承受的电压为 Ui 2 此时 电感 L 电流下降 半桥型变换电路应保留一定的裕量 所以两个开关 的占空比不能大于 50 在滤波电感 L 的电流连续的情况下 输出电压用式 4 1 计 算得到 4 1 DU N N U i 1 2 o 当 L 的电流不连续时输出电压将高于式 4 1 所得的值 当输出端开路时 输 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 出电压有最大值为 4 2 2 i 1 2 omax U N N U 4 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 在 MATLAB 中建立仿真模型如图 4 2 所示 用两个串联电源代替了输入电压 这样可以使电路简化 略去了电容 C01和 C01 但结果不变 图 4 2 半桥变换电路仿真模型图 各元件的参数设置如下 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 Ud1 Ud2 100V 2 电感 电容 电阻参数设置 C 20 F L 0 1mH R 2 3 变压器参数设置 UW1 100V UW2 50V UW3 50V 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 两个脉冲发生器的振幅为 1V 频率为 20kHz 即周期为 0 00005s 相位互差 180 即为 25 s 的延时 脉冲宽度为 30 仿真时间设置为 1ms 最终显示的是 0 9 1ms 的电路波形 此时电路基本接近 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 22 稳态 0 0 1 1 2 2 S1 0 0 1 10 0 2 20 0 i S1 0 0 1 10 00 0 2 20 00 0 u S1 6 6 4 4 2 20 02 24 46 68 81 10 01 12 2 x x 1 10 0 5 5 0 0 1 10 0 2 20 0 iL iVD1 图 4 3 半桥电路仿真波形 仿真结果如图 4 3 所示 波形图由上到下依次为 S1 S2 驱动信号 S1 电流 S1 电压 滤波电感电流和 VD1 电流 由图可知 当 S1 导通 S2 截止时 S1 电压为零 当 S1 S2 都截止时 S1 电 压为 100v Ud1 Ud2 2 当 S1 截止 S2 导通时 S1 电压为 200v Ud1 Ud2 这与 理论值相符 通过分析可知 仿真电路较好的实现了预想的效果 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 23 第五章 全桥电路 5 1 主电路结构 全桥电路是在半桥电路的基础上演变过来的 他将半桥电路的两个串联电容用 开关器件取代后得到的 图 5 1 全桥型变换电路 图 5 1 全桥型变换电路 其中 S1 S4 为一组开关器件 通断一致 S2 S3 为另一组开关器件 通过这 两组开关的交替导通和关断 使 VD1 VD4 和 VD2 VD3 这两组二极管交替导通和截 止 实现向负载供能 5 2 工作原理与数量关系 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 当 S1 与 S4 开通后 VD1 和 VD4 处于通态 电感L的电流逐渐上升 当 S2 与 S3 开通后 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 S1 和 S2 断态时承受的峰值电压均为Ui 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通 每个开关的占空比不能超过 50 还应留有裕量 滤波电感电流连续时 输出电压由式 5 1 计算得 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 24 5 1 DU N N U i 1 2 o 2 到 当输出电感电流不连续 输出电压Uo将高于式 5 1 的计算值 并随负载减 小而升高 在负载为零的极限情况下 输出电压有最大值 为 5 2 i 1 2 o U N N U 5 3 MATLAB 建模与仿真结果分析 在 MATLAB 中建立仿真模型如图 5 2 所示 图 5 2 全桥电路仿真模型图 各元件的参数设置如下 1 直流电压源参数设置 直流电源电压为 Ud1 200V 2 电感 电容 电阻参数设置 C 20 F L 0 1mH R 3 3 变压器参数设置 UW1 200V UW2 100V 脉冲发生器模块 Pulse 的参数设置 两个脉冲发生器的振幅为 1V 频率为 20kHz 即周期为 0 00005s 相位互差 180 即为 25 s 的延时 脉冲宽度为 30 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 25 仿真时间设置为 1ms 最终显示的是 0 9 1ms 的电路波形 此时电路基本接近 稳态 0 0 5 5 0 0 0 0 5 5 1 1 1 1 5 5 S1 S2 0 0 1 10 0 2 20 0 iS1 0 0 1 10 00 0 2 20 00 0 3 30 00 0 uS1 0 00 0 1 10 0 2 20 0 3 30 0 4 40 0 5 50 0 6 60 0 7 70 0 8 80 0 9 91 1 x x 1 10 0 4 4 0 0 1 10 0 2 20 0 3 30 0 iL iVD1 图 5 3 全桥电路仿真波形 仿真结果如图 5 3 所示 波形图由上到下依次为 驱动信号 S1 和 S2 的波形 S1 电流 S1 电压 滤波电感电流 VD1 电流 从图 5 3 可以看出当 S1 或 S2 开通时 电感电流上升 当 S1 和 S2 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 S1 和 S2 断态时承受的峰值电压均为Ui 所以 仿真结果达到了预想效果 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 26 结 论 本毕业设计 论文 题目是基于 MATLAB 的 DC DC 主电路仿真分析 这一题目涉 及到了电力电子装置 电力拖动 电力电子技术等许多知识 通过本次的设计