基于Matlab的移相全桥变换器仿真实验平台设计

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ
Ｄａｉ Ｙｕ，Ｑｉｕ Ｄｏｎｇｙｕａｎ，Ｚｈａｎｇ Ｂｏ，Ｘｉａｏ Ｗｅｎｘｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）
在０．０１ｓ处发生突变后，图８ 中输出 电 压 波 动 小 于１％，约０．５ｍｓ后稳 定；图 ９ 中，触 发 脉 冲 １ 和 ４，２ 和３在突变发生后分 别 移 相，两 组 脉 冲 的 有 效 占 空 比 的增量变化方向与输 出 电 压 增 量 变 化 方 向 相 反，说 明 了负反馈控制逻辑正确性。
性 曲 线 的 期 望 穿 越 频 率 ，调 整 补 偿 网 络 增 益 ，就 得 到 了
反
馈
控
制
中
补
偿
网
络
的
传
递
函
数
Ｇ 。 ［５－６］ ｃｖ
Ｇｃｖ（ｓ）＝
ｋｃｖ（ｓ＋ωｚｃｖ１）（ｓ＋ωｚｃｖ２） ｓ（ｓ＋ωｐｃｖ１）（ｓ＋ωｐｃｖ２）
（１）
图５ 补偿网络的 Ｍａｔｌａｂ模型图
图５ 中 Ｃｏｎｓｔａｎｔ为 给 定 电 压；Ｇａｉｎ 为 采 样 系 数， 采样信号 作 输 入 送 到 该 模 块 Ｖｆ端；Ｚｅｒｏ－Ｐｏｌｅ模 块 参 数 为 补 偿 网 络 传 递 函 数 中 的 零 、极 点 和 增 益 ，分 别 对 应
逆变 桥 的 ４ 个 开 关 管 选 用 全 控 电 压 型 器 件 ＩＧ－ ＢＴ。由于 Ｍａｔｌａｂ仿真模型不允许直流电压源与电容 直接并联，因此 每 个 与ＩＧＢＴ 并 联 的 小 电 容 必 须 串 联 一个阻值极小的电阻，该电容 与 变 压 器 的 漏 感 Ｌｒ在 开 关管关断时发生谐振，实现ＩＧＢＴ 的零电压开通 。 ［３］
戴 钰 ，丘 东 元 ，张 波 ，肖 文 勋
（华南理工大学 电力学院，广东 广州 ５１０６４０）
摘 要：为了加深学生对移相全 桥 变 换 器 的 理 解，设 计 了 基 于 Ｍａｔｌａｂ 的 移 相 全 桥 变 换 器 的 仿 真 实 验 平 台。 利用 Ｍａｔｌａｂ中 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ Ｅｘｔｒａ和 ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ等模块库中 的 基 本 单 元，建 立 了 以 移 相 全 桥 变 换器为核心的仿真模型，此模型可以实现在线运行的 实 时 仿 真 实 验。结 果 表 明，此 仿 真 平 台 对 电 力 电 子 教 学 是一个有意义的补充。 关 键 词 ：Ｍａｔｌａｂ；移 相 全 桥 变 换 器 ；实 验 平 台 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００２－４９５６（２０１１）０５－００８６－０４
图 １ 仿 真 实 验 平 台 结 构 图
戴 钰，等：基于 Ｍａｔｌａｂ的移相全桥变换器仿真实验平台设计
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２ 仿 真 模 型 的 建 立
２．１ 主 电 路 模 型 的 建 立 按实际拓扑结构 和 设 计 的 元 件 参 数，分 别 连 接 各
元件并设置各单元的 参 数 项，得 到 的 移 相 全 桥 变 换 器 主 电 路 模 型 见 图 ２。
图６ 移相脉冲发生器的 Ｍａｔｌａｂ模型图
３ Baidu Nhomakorabea仿 真 及 结 果
本文设计的移相全桥变换器仿真实验平台如图７ 所示。将 图 ２ 中 的 ４ 个 ＩＧＢＴ 封 装 成 逆 变 全 桥 模 块
ＰＳＦＢ，将 移 相 脉 冲 发 生 器 （见 图 ６）封 装 成 ＰＳ－ＰＷＭ 模 块 ，使 图 ７ 的 仿 真 视 图 界 面 简 洁 和 具 有 逻 辑 层 次 感 。 在此平台上测试一台１５Ｖ／２ ０００Ａ／３０ｋＷ 的移相全 桥 变 换 器 ，其 电 路 参 数 如 表 １ 所 示 。
常 用 补 偿 网 络 的 传 递 函 数 都 可 用 式 （１）表 示 ，可 以 通 过 设 置 零 、极 点 转 化 为 单 零 点 －单 极 点 等 其 他 类 型 的 传递 函 数 表 达 式。 与 式 （１）对 应 的 补 偿 网 络 如 图 ４ 所示。
图 ４ 实 际 电 路 中 的 补 偿 网 络 图
１ 仿 真 实 验 平 台 的 构 成
移相全桥变换器仿真实验平台是用于实时仿真的 移相全桥变换器模型，由 功 率 流 主 电 路 仿 真 模 型 和 控 制系统仿真 模 型 组 成，其 结 构 见 图 １。 功 率 流 主 电 路 包 含 逆 变 桥 、隔 离 变 压 器 和 整 流 滤 波 器 ，控 制 系 统 包 含 调节器和脉冲信号发生器。控制系统将采样主电路输 出的信号送调节器处 理 后，送 至 脉 冲 信 号 发 生 器 产 生 脉宽可调的脉冲，从 而 控 制 开 关 管 开 关 状 态 以 控 制 变 换器输出功率大小。
Ｒｏ１／Ω Ｒｏ２／Ω 采样系数 Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ 直流增益
零点 极点
０．００７ ５ ０．００８
０．５ １５ ２．５０６×１０６ １ ５８３．２，１３ ７００ ６８ ５００，１０ ６８１
仿真波形如图８和图９所示。图８中从上至下依 次为输出电 压Ｖｏ、电 感 电 流ＩＬ和 负 载 电 流Ｉｏ，图 ８ 的 右图为在０．０１ｓ处 负 载 电 阻 从 ０．００７ ５ Ω 跳 变 至 ０． ００８Ω 的放大波形；图 ９ 是 ０．０１ｓ处发 生 突 变 前 后，１ 与 ４ 管 移 相 脉 冲Ｖ１ 与Ｖ４ ，２ 与 ３ 管 移 相 脉 冲Ｖ２ 与Ｖ３ 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ （ＰＳＦＢ）ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｈｅｌｐ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ＰＳＦＢ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｅｌｌ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＳＦＢ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔｓ ｏｆ Ｍａｔｌａｂ ｔｏｏｌ ｂｏｘｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ Ｅｘｔｒａ，ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，ｅｔｃ．ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ａ ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ ｃｏｍ－ ｐｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅａｃｈｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍａｔｌａｂ；ｐｈａｓｅ－ｓｈｉｆｔ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ
Ｍａｔｌａｂ具有强大的科学计算功能，已 经 成 为 动 态 系统仿真等方面基 本 分 析 工 具 。 ［１－２］ Ｍａｔｌａｂ 可 以 用 复 频域的传递函数甚至函数程序表示复杂的控制功能， 使研究者在不必明知 实 际 电 路 的 情 况 下，通 过 不 断 修 改 仿 真 参 数 进 行 优 化 ，直 至 满 足 期 望 稳 态 和 动 态 响 应 ， 因此 Ｍａｔｌａｂ在电力电 子 的 建 模 与 仿 真 分 析 中 得 到 了 广泛应用。
图 ７ 移 相 全 桥 变 换 器 测 试 模 型 图
戴 钰，等：基于 Ｍａｔｌａｂ的移相全桥变换器仿真实验平台设计
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变量名
Ｖｉｎ／ Ｖ ｎ Ｄ
ｆｓ／ｋＨｚ Ｌｒ／ Ｈ Ｌｏ／ Ｈ Ｃｏ／ ｍＦ
表 １ 仿 真 模 型 参 数
参数值
变量名
参数值
５１０ ２２∶１
０．８ １７ ２０ １．４ ６６
入输出信号相同即可。所建立的模型可以是程序模块 或基本单元组成的电路模块。
将移相脉冲发生 器 看 作 由 脉 冲 信 号 发 生 器、移 相 信号发生器和死区时间设置３部分组成的一个功能模 块 ，如 图 ６ 所 示 。 其 中 ，脉 冲 信 号 发 生 器 产 生 频 率 固 定 且占空比为５０％的互补方波脉冲 Ｑ 和 ＱＮ；移相 信 号 发生器产生相对 于 脉 冲 波 形 Ｑ 和 ＱＮ 有 一 定 相 位 差 的互补方波脉冲 Ｑ’和 ＱＮ’，此 相 位 差 的 大 小 由 调 节 器的输出决定，小于方波脉冲周期 的 １／２；死 区 时 间 设 置模块分别设置两组互补方波脉冲之间的死区时间。
收 稿 日 期 ：２０１０－０７－２８ 作者简介：戴钰（１９８５—），男，湖 北 随 州，硕 士 生，研 究 方 向 为 电 力 电 子
装置与系统 Ｅ－ｍａｉｌ：ｄａｉｙ＿１２＠１２６．ｃｏｍ 通信作者：丘东元（１９７２—），女，广 东，博 士，教 授，主 要 研 究 方 向：电 力
电子系统非线性现象和故障诊断方法．
冲发生器。
２．２．１ 调 节 器 一般 ＰＩＤ 控 制 系 统 的 设 计 要 通 过 分 析 整 个 系 统
幅相频率特性来实现。首先利用控制对象传递 函 数［４］
类型选定补偿网络结 构，然 后 依 据 频 率 特 性 曲 线 设 定
补 偿 网 络 的 零 、极 点 ，再 根 据 系 统 开 环 传 递 函 数 频 率 特
图２ 主电路的 Ｍａｔｌａｂ模型图
主电路中的变压器起着隔离和传输功率的作用， 变 压 器 次 级 与 二 极 管 构 成 全 波 整 流 器 ，如 图 ２ 所 示 ；滤 波器为常用 的 倒 “Ｌ”型 结 构；负 载 由 带 有 跳 变 装 置 的 电阻 Ｒｏ１和 Ｒｏ２组成。跳变装置 Ｓ１和 Ｓ２的构成如图３ 所 示 ，其 作 用 是 测 试 系 统 在 负 载 变 化 时 的 动 态 响 应 ，使 负载电阻在ｔ＝０．０１ｓ（该时间值可自行设定）处 从 Ｒｏ１ 跳变到 Ｒｏ２。
图 ３ 负 载 跳 变 模 块 构 成 图
由于 Ｍａｔｌａｂ仿真工具箱中没有运放模块，故补偿 网络可以采用 ＰＩ或 ＰＩＤ 模 块［７－９］，或 者 直 接 用 带 有 限 幅 功 能 的 传 递 函 数 模 块 ，如 图 ５ 所 示 。
２．２ 控 制 系 统 模 型 的 建 立 移相全桥变换器的控制系统包含调节器和移相脉
ＩＳＣＳＮＮ１ １１０－０２２０－３４４／９Ｔ５６
实 验 技 术 与 管 理 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
第 ２８ 卷 第 ５ 期 ２０１１ 年 ５ 月 Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２０１１
基于 Ｍａｔｌａｂ的移相全桥变换器仿真实验平台设计
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实 验 技 术 与 管 理
于式 （１）中 的 ωｚｃｖ１、ωｚｃｖ２、ωｐｃｖ１、ωｐｃｖ２ 和 ｋｃｖ，Ｚｅｒｏ－Ｐｏｌｅ输 出经 Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ限幅，限 幅 最 大 值 为 运 算 放 大 器 自 身 输出最大值。 ２．２．２ 移 相 脉 冲 发 生 器
由于 Ｍａｔｌａｂ没有现成的移相脉冲发生器模块，甚 至 一 些 专 业 的 仿 真 软 件 也 没 有 此 模 块 ，因 此 ，需 要 用 户 自己建立这样一个模块。虽然可以直接利用实际芯片 ＵＣ３８７９的结构原理 图 构 ［１０］ 造 移 相 脉 冲 发 生 器，但 是 芯 片 的 内 部 辅 助 电 路 过 多 ，模 型 不 易 搭 建 。 实 际 上 ，在 建立仿真模型时，就 可 把 被 模 拟 的 芯 片 当 作 一 个 黑 匣 子，只需使所建立模 型 的 输 入 和 输 出 信 号 与 芯 片 的 输
移相全桥电路有 移 相 调 压 特 点，广 泛 应 用 于 大 功 率变 换 装 置 中。 本 文 利 用 Ｍａｔｌａｂ 中 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，Ｓｉｍｕ－ ｌｉｎｋ Ｅｘｔｒａ和 ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ等模块库中的基本单 元，建立了移相全 桥 变 换 器 的 仿 真 实 验 平 台。 利 用 该 仿 真 实 验 平 台 ，学 生 可 以 开 展 相 关 的 仿 真 实 验 ，加 深 对 移相全桥变换器工作原理的理解。该仿真平台对电力 电子技术教学将是一个有意义的补充。