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1、目录目录摘要摘要.1 11 1 设计原理设计原理.2 21.1 设计要求分析.21.2 开关电源概述 .21.3 半桥逆变器设计.31.2.1 半桥逆变器概述 .31.2.2 半桥变换器的电路结构及作用.31.2.3 半桥变换器的工作原理.41.2.4 半桥变换器的输入输出关系式.51.3 全桥变换器设计 .61.3.1 全桥变换器的概述 .61.3.2 全桥变换器的结构及作用.61.3.3 全桥变换器的工作原理.71.3.4 全桥变换器的输入输出关系式.81.4 半桥、全桥变换器性能比较 .81.5 全波整流与桥式整流设计 .91.6 闭环的控制方法与实现 .101.6.1 PWM 的调制方
2、法 .101.6.2 PID 控制器 .111.6.3 闭环控制方法与实现.122 2 仿真电路的设计仿真电路的设计.14142.1 半桥变换器仿真电路 .142.2 全桥变换器的仿真电路图 .152.3 仿真参数设置.162.4 闭环仿真原理图及参数设置.173 3 仿真结果及分析仿真结果及分析.20202.1 半桥电路输入输出电压关系式证明 .202.2 全桥电路输入输出电压关系式证明.202.3 全波、桥式整流性能比较 .212.4 闭、开环控制性能比较 .234 4 小结小结.2424参考文献参考文献.2525武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书1摘要摘要20 世纪 60 年代
3、大量应用的线性调节器式直流稳压电源，由于它存在着以下诸多的缺点，如体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于 5A的场合应用等，已开始被开关调节器式直流稳压电源所取代。本次设计主要是针对开关电源中的半桥变换器、全桥变换器进行设计电路设计及仿真，并推导、验证输入输出电压的关系式。设计了 400V/25V 的半桥变换器和 400V/50V 的半桥变换器，每种变换器均采用了全波、桥式整流两种方法实现。电路主要由逆变桥、变压器、整流桥构成，并设计了滤波电路、吸收电路来减少波形脉动。通过仿真，验证了在相同变压器变比的情况下，全桥电
4、路的输出电压比半桥电路高一倍的结论，最后使用闭环控制，对半桥、全桥变换器进行了优化。关键字：关键字：开关电源 半桥变换器 全桥变换器 PWM控制武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书2电力电子电路仿真1 设计原理1.1 设计要求分析本次设计主要需要完成两个任务：一是需要完成对半桥变换器、全桥变换器的结构设计，拟定参数，并理论推导输入、输出电压表达式关系；二是通过simulink 对半桥、全桥变换器的设计进行仿真，佐证之前推导的输入输出关系式。半桥、全桥变换器的输出均有全波整流和全桥整流两种形式，本文对两种形式均作了仿真，通过全波整流条件和全桥条件下分别比较半桥、全桥的输出，来说明半桥、全
5、桥之间输出的差异。1.2 开关电源概述高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路、控制及保护电路组成。本次设计主要针对功率变换电路。功率变换电路的种类很多，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。本次设计的半桥和全桥变换器属于间接直流变流电路。带隔离的直流直流变流电路同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直交直电路。间接直流变流电路的结构图如下所示： 图1-1 间接直流变流电路的结构图 采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因： （1）输出端与输
6、入端需要隔离。 武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书3 （2）某些应用中需要相互隔离的多路输出。 （3）输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 （4）交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。 1.3 半桥逆变器设计1.2.1 半桥逆变器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
7、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
8、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。其电武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书4路如图 1-2 所示。图 1-2 半桥变换器主电路结构图及波形由上图所示，半桥变换器输入侧主要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 C2 将通过 VTl、变压器初级绕组 N1 放电；同时，电容 C2 则通过
9、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-Ui，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，C2 放电、C1 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Ui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；
10、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。1.2.3 半桥变换器的工作原理开关管 VT1 与 VT2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui/2 的交流电武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书5压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压 ud的平均值，也就改变了输出电压 Uo。 VT1 导通时，二极管 VD1 处于通态，VT2 导通时，二极管 VD2 处于通态; 当两个开关都关断时，变压器绕组 N1 中的电流为零，VD1 和 VD2 都处于通态，各分担一半的电流。 VT1 或 VT2 导通时电感 L 的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感 L的电流逐渐下降。VT1 和 VT2 断态时承受的峰值电压均为 Ui。 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 1.2.4 半桥变换器的输入输出关系式变压器一次侧电压幅值为。1/ 2TiUU变压器二次侧整流电压副值为：22 21 111 2TTiNNUUUNN设一个周期内，
