桥式变换器的仿真

目录
摘要
1 设计原理 (1)
1.1 开关电源 (1)
1.2半桥逆变器 (1)
1.2.1半桥逆变器的概述 (1)
1.2.2 半桥变换器的电路结构及作用 (2)
1.2.3 半桥变换器的工作原理 (3)
1.3 全桥变换器 (3)
1.3.1全桥变换器的概述 (3)
1.3.2 全桥变换器的结构及作用 (4)
1.3.3 全桥变换器的工作原理 (5)
2 仿真电路的设计 (6)
2.1 半桥变换器仿真电路 (6)
2.2 全桥变换器的仿真电路图 (8)
3 仿真结果及分析 (10)
4 小结 (13)
参考文献 (14)
桥式变换器的仿真
1 设计原理
1.1 开关电源
开关稳压电源的种类很多，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。

对开关电压的研究十分有意义，这是由于该开关电源有很多优越性：
1、效率高。

开关电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关管无电流，因此不消耗功率，可大大提高效率，通常课达到80%~90%左右。

而传统的调整串联型稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过晶体管，功耗就较大，因而效率很低，一般只在50%左右。

2、功耗小。

由于开关管在开关状态，功耗小，不需要采用打散热器。

而且功耗校使得机温升低，周围环境不会长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。

3、稳定围宽。

当开关电源输入电压在150~250V围变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2%以下。

而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。

因此开关稳压电源适用于电网电压波动很大的地区。

4、安全可靠。

开关稳压电路一般具有自动保护电路，当稳压电路、高压电路、负载出现故障或短路时，能自动切断电源，保护功能灵敏可靠。

1.2半桥逆变器
1.2.1半桥逆变器的概述
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1-1所示。

它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C02将通过VTl、变压器初级绕组N1放电；同时，电容C02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-ΔUi，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，C02放电、C01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±ΔUi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。

图1-1 半桥变换器主电路结构图
1.2.3 半桥变换器的工作原理
半桥变换器和推挽变换器在电路构成上均可看成是由二个单端正激变换器的组合。

推挽变换器的一次侧是具有中心抽头的两个绕组，且磁路是耦合的。

每个单端正激电路有自己的一次绕组。

电源电压加在中心抽头处，以推挽方式形成正、负脉冲方波。

而半桥变换器的二个单端正激电路在一次侧共用一个绕组，以控制绕组电流反向的方法获得正、负脉冲方波电压。

1.3 全桥变换器
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1-2所示。

四个开关管VT1—VT4构成桥式电路，理论上，它们应该并联四只二极管VD1—VD4用于能量恢复，课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VD1—VD4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1-2 全桥变换器主电路结构图
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。

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 半桥变换器全波整理仿真电路
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
3 仿真结果及分析
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3-1、3-2所示
图3-1半桥变换器桥式整流仿真波形图
图3-2 半桥变换器桥式整流仿真
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、仔细观察课以看出，桥式整流的输出波形略大，更加接近20V，则说明桥式
的带负载能力更强一些。

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。

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，得到的全桥变换器输出电压波形分别如图3-3、3-4所示
3-3 全桥变换器全波整流仿真波形图
图3-4全桥变换器桥式整流仿真波形图
将全桥的两个波形进行比较，可以看出，也可以得出与半桥差不多的结论，
即全桥变换器桥式整流电路比全波整流的调节性能好，带负载能力强，稳定性好。

最后，在将上述四种波形图进行统一比较，又可以发现全桥的性能又比半桥
的好一些。

综上所述，可得出一下的结论：
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。

4 小结
此次课程设计要求对开关电源的桥式变换器拓扑结构进行模拟仿真。

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，通过本次的课程设计，我对开关电源的知识有了更深层次的了解，了解了各种开关电源的拓扑和波形，并且学会了应用MATLAB对变换器电路进行仿真，由此，也加强了MATLAB 仿真技术的应用能力，学会了用MATLAB绘制图形并进行仿真参数的调试，。

在做课程设计的过程中，遇到了很多这样那样的问题，比如在晶闸管管的选型上，计算公式的选取，再比如电气原理图的绘制等等。

这些都需要我们大量地查阅资料。

一次课程设计使我认识到了自身对于以前知识掌握地不牢固，同时也把以前所学的知识运用于实际，在帮助我把以前的知识查阙补漏的同时也使得我对于所学知识有了一个更高地认识，做到了学以致用，受益良多。

为今后的学习和工作打下了良好的基础。

参考文献
【1】荫福等.电力电子装置及系统.：清华大学，2006
【2】涳.毕业设计宝典.：电子科技大学，2008
【3】伯时.电力拖动自动控制系统.第3版.：机械工业，2003 【4】王兆安，黄俊.电力电子技术.：机械工业，2000
【5】占松等.开关电源的原理与设计.：电子工业，1998。