基于MATLAB/SIMULINK的DC/DC變換器仿真研究

李一鳴,榮 軍

(1.湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006;2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

引言

DC/DC變流電路是指將不可調(diào)的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N可調(diào)或固定的直流電壓的電路.它能夠使便攜式產(chǎn)品在電池電壓較低的情況下也可工作,并延長(zhǎng)電池工作時(shí)間[1].它包括直接直流變流電路和間接直流變流電路,這里主要介紹間接直流變流電路(帶隔離的直流變流電路).帶隔離的直流-直流變流電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示,同直流斬波電路相比,直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié),因此也稱為直-交-直電路.

圖1 帶隔離的DC/DC變流電路結(jié)構(gòu)

采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流變流的原因是帶隔離的 DC/DC變流電路有以下幾點(diǎn)好處:第一,輸入端和輸出端是隔離的;第二,可以提供相互隔離的多路輸出;第三,輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或者遠(yuǎn)大于1;第四,交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率,可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量[2].正是因?yàn)橐陨纤膫€(gè)原因,DC/DC變換器在實(shí)際電路中應(yīng)用非常廣泛,因此本文重點(diǎn)闡述了其工作原理,并設(shè)計(jì)其元器件的參數(shù),最后在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 移相全橋DC/DC變換器的工作原理

以傳統(tǒng)的移相全橋零電壓開關(guān)(PS-FB-PWM)變換器作分析,主電路如圖 2所示.它是大功率DC/DC變換器的理想拓?fù)渲?功率管S1～S4構(gòu)成了全橋型電路的4個(gè)功率開關(guān),CS1～CS4、VDS1～VDS2分別是功率管的漏極與源極間的等效電容和等效二極管.移相全橋零電壓開關(guān)PWM 電路的特點(diǎn):移相全橋電路在開關(guān)周期 TS內(nèi),每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于TS/2,而關(guān)斷時(shí)間都略大于TS/2;同一半橋中兩個(gè)開關(guān)不同時(shí)處于通態(tài),每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間.互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān) S1、S4和 S2、S3,S1的波形比 S4超前 0～TS/2時(shí)間,而 S2的波形比 S3超前 0～TS/2時(shí)間,因此稱 S1和S2為超前的橋臂,而稱S3和S4為滯后的橋臂[2,3].

圖2 移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路

工作過(guò)程分析如下:

工作模式1(t0～t1時(shí)段):設(shè)在0時(shí)刻,直到 t1時(shí)刻 S1關(guān)斷,開關(guān) S1與 S4進(jìn)入了同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài),A、B兩點(diǎn)間的電壓為Ui,故諧振電感 Lr和隔離變壓器原邊繞組中流有不斷上升電流 iLr,且電容 CS2上的電壓為 Ui,方向?yàn)樯险仑?fù).同時(shí),經(jīng)隔離變壓器耦合,副邊繞組 W22所接的整流二級(jí)管 VD2導(dǎo)通,將電感L折算至原邊繞組中,其電路原理圖如圖3所示.

圖3 移相全橋電路在t0～t1階段的等效電路圖

工作模式 2(t1～t2時(shí)段):t1時(shí)刻開關(guān) S1關(guān)斷后,電容CS1、CS2與電感Lr、L構(gòu)成諧振回路.諧振開始時(shí),電容 CS2釋放其存儲(chǔ)的電能,經(jīng)諧振電感Lr、隔離變壓器原邊繞組和開關(guān) S4,維持電流iLr,同時(shí)電容 CS2上的電壓uA不斷下降,直到 uA= 0 ,VDS2導(dǎo)通,電流iLr通過(guò)VDS2續(xù)流,其電路原理圖如圖4所示.

圖4 移相全橋電路在t1～t2階段的等效電路圖

工作模式 3(t2～t3時(shí)段):t2時(shí)刻開關(guān)S2開通,由于此時(shí)其反并聯(lián)二極管 VDS2正處于導(dǎo)通狀態(tài),因此 S2為零電壓開通.S2開通后,電路的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化,繼續(xù)保持至t3時(shí)刻,其電路原理圖如圖5所示.

圖5 移相全橋電路在t2～t3階段的等效電路圖

工作模式 4(t3～t4時(shí)段):t3時(shí)刻開關(guān) S4關(guān)斷后,變壓器二次側(cè)VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通,變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓均為零,相當(dāng)于短路.這種狀態(tài)反射至原邊繞組也等效為短路,故諧振是以諧振電感Lr釋放其存儲(chǔ)的能量為電容CS4充電方式進(jìn)行的.當(dāng)電容CS4上的電壓uB被充電至Ui時(shí),開關(guān)S4的二級(jí)管導(dǎo)通,使電流iLr流回電源Ui.直到S3的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,這種狀態(tài)維持到t4時(shí)刻S3開通,其電路原理圖如圖6所示.

圖6 移相全橋電路在t3～t4階段的等效電路圖

工作模式 5(t4～t5時(shí)段):在t4時(shí)刻,開關(guān)S3導(dǎo)通.由于此時(shí)刻S3的二極管正處于導(dǎo)通狀態(tài),故其為零電壓導(dǎo)通.S3導(dǎo)通后,與此前導(dǎo)通的S2使A、B兩點(diǎn)間的電壓為Ui,這使得諧振電感Lr上的電流迅速減小至0后開始反向增長(zhǎng).同時(shí),電容CS4上的電壓為Ui,方向?yàn)樯险仑?fù).電流iLr經(jīng)隔離變壓器耦合,使副邊繞組1所接的整流二極管VDS2截止,輸出電流全部轉(zhuǎn)移至整流二極管VDS2中.VDS2的導(dǎo)通同樣將電感L折算至原邊繞組中,其電路原理圖如圖7所示.

圖7 移相全橋電路在t4～t5階段的等效電路圖

至此,全橋型電路完成了由開關(guān)S1、S4同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換至開關(guān)S2、S3同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)的過(guò)程,也即完成了整個(gè)開關(guān)周期的一半.而另半個(gè)周期,即S2、S3同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換至開關(guān)S1、S4同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)的工作過(guò)程完全與前半個(gè)周期對(duì)稱,過(guò)程可參照上述分析過(guò)程.移相全橋型零電壓開關(guān) PWM 電路的工作波形如圖8所示.

圖8 移相全橋電路理想工作波形圖

設(shè)移相全橋電路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下所示[3,4]:

基本條件:電路形式全橋移相

變壓器工作頻率:50kHz

變壓器輸入電壓:380V

輸出電壓:48V

輸出電流:5A

整流形式:中心抽頭全波整流

設(shè)定開關(guān)器件導(dǎo)通壓降及原邊線路壓降之和為2V,輸出電壓紋波峰峰值不超過(guò)0.24V.

2 電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 諧振電感Lr的計(jì)算

由于開關(guān)管的漏極與源極間電容為24pF,ΔiLf= 2A,根據(jù)公式有

2.2 變壓器原邊和次級(jí)邊匝數(shù)計(jì)算

當(dāng)輸入電壓取380V時(shí),最低輸入電壓為Vin(min)= 3 42V ,占空比為0.75,此時(shí)輸出電壓Uo達(dá)到要求值,即

其中UDF為變壓器副邊整流二極管及線路壓降之和,取 2V,由上式可計(jì)算出U2= 6 7V .從而變壓器變比n= 3 42/67 = 5 .

由上面變壓器變比有:設(shè)變壓器原邊繞組匝數(shù)為N1=380,則變壓器副邊繞組匝數(shù)N2=77.

2.3 副邊濾波電感和濾波電容的計(jì)算

副邊電感電流臨界連續(xù)時(shí),輸出平均電流Io等于電感電流紋波峰峰值ΔiL的1/2.因此有

由式(1),得:

當(dāng)輸出電壓為48V,電流為5A時(shí),RL= 9 .6Ω.顯然,當(dāng)變壓器原邊電壓取380V時(shí),占空比為0.75,為保證輸出電流5A時(shí)電感電流連續(xù),根據(jù)式(2),L應(yīng)滿足

設(shè)Us為純直流電壓,輸出電壓紋波主要由器件的開關(guān)工作過(guò)程引起.顯然,當(dāng)變壓器原邊電壓取380V,占空比取0.75時(shí),此時(shí)濾波電感中電流紋波最大,輸出電壓紋波也最大.

橋式變化器輸出電壓紋波峰峰值ΔUo可表示為:

應(yīng)該指出,上述計(jì)算是將濾波電容作為理想電容看待的,實(shí)際電容總存在著等效并聯(lián)電阻,且允許通過(guò)的波紋電流也是有限的.所以,實(shí)際應(yīng)用中常采用多個(gè)電容并聯(lián)來(lái)減小等效電阻的影響,增加通過(guò)波紋電流的能力.

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證變換器設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)選擇的正確性,利用 MATLAB軟件對(duì)該主電路進(jìn)行仿真[4,5],其仿真波形如圖9、圖10、圖11和圖12所示.其中圖9為變壓器原邊電壓仿真波形,圖10為變壓器次級(jí)電壓仿真波形圖,圖11為輸出電流仿真波形圖,圖12為輸出電壓仿真波形圖.從圖11和圖12可以很清楚看到輸出電流為5A,輸出電壓為48V,與理論計(jì)算一致,這說(shuō)明主電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)完全正確.

圖9 變壓器原邊電壓仿真波形圖

圖10 變壓器次級(jí)電壓仿真波形圖

圖11 輸出電流仿真波形圖

圖12 輸出電壓仿真波形圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)工作波形和各個(gè)階段的工作電路分析了移相全橋DC/DC變換電路的工作原理,并設(shè)計(jì)其元器件參數(shù),最后在 MATLAB/SIMULINK 中進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明,電路參數(shù)設(shè)計(jì)完全正確,為實(shí)際電路設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

[1] 陳 堅(jiān).電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2002

[2] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001

[3] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004

[4] 榮 軍,李一鳴,陳 曦.基于Pspice的全橋移相變換器的仿真研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,23(6):49～53

[5] 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010:127～130