由IGBT组成的H桥型直流直流变换器的建模及应用仿真

目录

1.引言 .................................................................................................................................................................................................... 1 1.1研究意义 ..................................................................................................................................................................................... 1 1.2 研究内容 .................................................................................................................................................................................... 2 2.直流-直流变换器的工作原理 ........................................................................................................................................................... 2 4 H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型建立与实现 ..................................................................................................................... 7 5 结论 ................................................................................................................................................................................................. 14 心得体会 ............................................................................................................................................................................................. 15

1.引言

1.1研究意义

电能是现代工农业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能源。电能一般分为直流电和交流电两大类，现代科学技术的发展使人们对电能的要求越来越高，不仅需要将将交流电转变为直流电，直流电转变为交流电，以满足供电能源与用电设备之间的匹配关系，还需要通过对电压、电流、频率、功率因数和谐波等的控制和调节，以提高供电的质量和满足各种各样的用电要求，这些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的，随着现代电力电子技术的发展，各种新型电力电子器件的研究、开发和应用，使人们可以用电力电子变流技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源，提高产品的质量和性能，提高生产效率，改善人们的生活环境。

所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换，对交直流电压、电流的调节，和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些转换的线路，一般这些电路可以分为四大类。

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（1）交流—直流变流器。

（2）直流—直流斩波调压器。

（3）直流—交流变流器。

（4）交流—交流变流器。

本课题所要研究的是直流—直流斩波调压。

1.2 研究内容

（1）工作原理分析

（2）系统建模及参数设置

（3）波形分析

2.直流-直流变换器的工作原理

直流—直流变流电路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，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之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流—直流变流电路或直—交—直电路。直流—直流变流器有多种类型，主要有降压变流器、升压

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变流器和桥式直流变流器等，这里主要介绍桥式（H型）直流变流器。

电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但其所能提供的电压极性是单相的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，就必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，即成为桥式可逆斩波电路。

桥式直流PWM变流器又称H型变流器和四象限直流—直流变流器，桥式直流PWM变流器常用作直流电动机的可逆运行。其原理电路图如图1所示。

Usa

UctPWM调制和驱动Uvt1 Uvt4Uvt2 Uvt3

图1 桥式直流PWM变流器

采用IGBT开关管作为开关器件，负载为电感性，四个开关器件VT1和VT4，VT2和VT3两两成对，同时导通和关断，且工作于互补状态，即VT1和VT4导通时，VT2和VT3关断，反之亦然。控制开关器件的通断时间（占空比）可以调节输出电压的大小，若VT1和VT4的导通时间大于VT2和VT3的导通时间，输出电压的平均值为正，VT2和VT3的导通时间大于VT1和VT4的导通时间时，则输出电压的平均值为负，所以可用于直流电

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动机的可逆运行。

桥式可逆直流PWM变流器从控制方式上区分有双极式调制、单极式调制和受限单极式调制三种。本课题所选用的是双极式调制。变流器四个开关器件的驱动一般都采用PWM方式，有调制波(三角波或锯齿波)与直流信号比较产生驱动脉冲，由于调制波频率较高（通常在数千赫兹以上），所以变流器输出电流一般连续，用于直流电动机调速时电枢回路不用串联电抗器，但四个开关器件都工作于PWM方式开关勋耗较大。

双极式调制的电路仿真模型如图2所示。

图2 双极式调制的电路仿真模型

相应参数设置：

①三角波使用Repeating Sequence模块不断的生成，三角载波的参数设置如图3所示。提取路径为：Simulink/Sources/Repeating Sequence

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图3三角载波的参数设置

②直流波使用constant模块不断的生成，直流波的参数设置如图4。提取路径为：

Simulink/Sources/constant

图4 直流波的参数设置

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③关系运算模块关系类型“＞”参数设置如下图；

图5 关系运算模块的参数设置

④信号增益模块增益“-1”参数设置如下图。

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图6 信号增益模块增益“-1”参数设置

双极性PWM控制电路仿真结果如图7所示。

图7 双极性PWM控制电路仿真结果

4 H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型建立与实现

H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型如图

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图8 H桥DC/DC变换系统电路模型

相应的参数设置：

① 直流电压源参数U=100V；

图9 直流电压源参数设置

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② IGBT参数Ron=0.001Ω，Lon=1e-6H，Vf=1V，Rs=1e5Ω，Cs=inf；

图10 IGBT参数设置

③ 负载参数R1=1000Ω， L=0H，C=inf；

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图11 负载R1参数设置

负载参数R2=10Ω， L=100e-3H，C=500F；

图12 负载R2参数设置

④ 此时的仿真结果如图13所示；

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图13 直流波幅值为-0.6时的仿真结果

增大直流基波的幅值，其参数设置如下图14；

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图14 直流波的参数设置 幅值为-0.9

此时的仿真结果如图15所示

图15 直流波幅值为-0.9时的仿真结果

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改变直流基波的方向，其参数设置如下：

图16 直流波的参数设置 幅值为0.6

此时的仿真结果如图17所示

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图17 直流波幅值为0.6时的仿真结果

根据以上设计而成的图8所示H桥DC/DC变换系统电路模型和图13所示仿真结果可以看出：仿真开始后晶体管IGBT2和IGBT3保持导通，负载两端为反向电压。随后IGBT1和IGBT4导通，负载两端为正向电压，电流的平均值为负值，电动机反向运转。根据图13和图15可知增大直流基波的幅值可以增大电流的幅值，使电动机速度加快。根据图13和图17可知改变直流基波的方向，负载的电流平均值为正值，电动机正向运转。

5 结论

本文对H桥DC/DC变换系统电路进行了理论分析，建立了基于

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MATLAB/Simulink/Power System工具箱的H桥DC/DC变换系统电路的仿真模型，其仿真结果与理论分析十分吻合，达到了电动机负载在四象限运行的目的，验证了本文所建模型的正确性。

心得体会

电力电子的仿真实验终于告一段落了，在此之前对于simulink仿真的了解可以算得上是从零开始吧，虽然在本科的时候学习过电力电子，有一定的学习基础，但是很多知识也都是一知半解，对于仿真的学习更是一头雾水。但是经过这次的仿真练习，我自认为还是学到了很多知识的。

首先在课程的前一阶段，拿到课题以后，我便搜集了很多的资料，抱着学习的态度想更多的学习电力电子知识，同时学好simulink仿真，但是在仿真过程中，还是遇到了不少的难题，比如仿真参数的设置，示波器参数的调整等，但是经过一段时间的查阅资料和不断改进，我的仿真还是有了很大的进展。

这样一个过程使我的理论知识得到了试验和应用，使我的理论知识得到了进一步的提高。

总之，这次课程设计不但让我学到了很多的东西，提高和巩固了电力电子和matlab等方面的知识，同时也增强了我的动手能力，这些并不是在课堂上可以学到的，而且这也是难得的一次同学间长时间交流沟通的机会，在课程实际过程中发生许多欢乐的令人难忘的事，这无疑为以后的我留下了一个美好的回忆。在完成仿真作业后,我发现我还有许多不足,所学到的知识还远远不够，simulink的应用是如此的广泛，在以后的时间里我将继续对加强对matlab的学习。

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