第一篇：由IGBT組成的H橋型直流直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

目錄

1.引言...............................................................................................................................................2 1.1研究意義................................................................................................................................2 1.2 研究?jī)?nèi)容................................................................................................................................2 2.直流-直流變換器的工作原理......................................................................................................2 4 H橋DC/DC變換系統(tǒng)的電路仿真模型建立與實(shí)現(xiàn)...................................................................6 5 結(jié)論............................................................................................................................................11 心得體會(huì)........................................................................................................................................1由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

1.引言

1.1研究意義

電能是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、通信和人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚哪茉?。電能一般分為直流電和交流電兩大?lèi)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們對(duì)電能的要求越來(lái)越高，不僅需要將將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，以滿(mǎn)足供電能源與用電設(shè)備之間的匹配關(guān)系，還需要通過(guò)對(duì)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)和諧波等的控制和調(diào)節(jié)，以提高供電的質(zhì)量和滿(mǎn)足各種各樣的用電要求，這些要求在電力電子技術(shù)出現(xiàn)之前是不可能實(shí)現(xiàn)的，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型電力電子器件的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使人們可以用電力電子變流技術(shù)為各種各樣的用電要求提供高品質(zhì)的電源，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，提高生產(chǎn)效率，改善人們的生活環(huán)境。

所謂變流就是指交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)交直流電壓、電流的調(diào)節(jié)，和對(duì)交流電的頻率、相數(shù)、相位的變換和控制。而電力電子變流電路就是應(yīng)用電力電子器件實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換的線路，一般這些電路可以分為四大類(lèi)。

（1）交流—直流變流器。

（2）直流—直流斬波調(diào)壓器。

（3）直流—交流變流器。

（4）交流—交流變流器。

本課題所要研究的是直流—直流斬波調(diào)壓。

1.2 研究?jī)?nèi)容

（1）工作原理分析（2）系統(tǒng)建模及參數(shù)設(shè)置（3）波形分析

2.直流-直流變換器的工作原理

直流—直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱(chēng)斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱(chēng)為帶隔離的直流—直流變流電路或直—交—直電路。直流—直流變流器有多種類(lèi)型，主要有降壓變流器、升壓變流器和橋式直流變流器等，這里主要介紹橋式（H型）直流變流器。

電流可逆斬波電路雖可使電動(dòng)機(jī)的電樞電流可逆，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的兩象限運(yùn)行，但其所能提供的電壓極性是單相的。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場(chǎng)合，就必須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓，即成為橋式可逆斬波電路。由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

橋式直流PWM變流器又稱(chēng)H型變流器和四象限直流—直流變流器，橋式直流PWM變流器常用作直流電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行。其原理電路圖如圖1所示。

Usa

UctPWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)Uvt1 Uvt4Uvt2 Uvt3

圖1 橋式直流PWM變流器

采用IGBT開(kāi)關(guān)管作為開(kāi)關(guān)器件，負(fù)載為電感性，四個(gè)開(kāi)關(guān)器件VT1和VT4，VT2和VT3兩兩成對(duì)，同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，且工作于互補(bǔ)狀態(tài)，即VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2和VT3關(guān)斷，反之亦然?？刂崎_(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間（占空比）可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，若VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間大于VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間，輸出電壓的平均值為正，VT2和VT3的導(dǎo)通時(shí)間大于VT1和VT4的導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，則輸出電壓的平均值為負(fù)，所以可用于直流電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行。

橋式可逆直流PWM變流器從控制方式上區(qū)分有雙極式調(diào)制、單極式調(diào)制和受限單極式調(diào)制三種。本課題所選用的是雙極式調(diào)制。變流器四個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)一般都采用PWM方式，有調(diào)制波(三角波或鋸齒波)與直流信號(hào)比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，由于調(diào)制波頻率較高（通常在數(shù)千赫茲以上），所以變流器輸出電流一般連續(xù)，用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)電樞回路不用串聯(lián)電抗器，但四個(gè)開(kāi)關(guān)器件都工作于PWM方式開(kāi)關(guān)勛耗較大。

雙極式調(diào)制的電路仿真模型如圖2所示。

圖2 雙極式調(diào)制的電路仿真模型

相應(yīng)參數(shù)設(shè)置：

①三角波使用Repeating Sequence模塊不斷的生成，三角載波的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。3 由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

提取路徑為：Simulink/Sources/Repeating Sequence

圖3三角載波的參數(shù)設(shè)置

②直流波使用constant模塊不斷的生成，直流波的參數(shù)設(shè)置如圖4。提取路徑為：

Simulink/Sources/constant

圖4 直流波的參數(shù)設(shè)置

③關(guān)系運(yùn)算模塊關(guān)系類(lèi)型“＞”參數(shù)設(shè)置如下圖；

由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

圖5 關(guān)系運(yùn)算模塊的參數(shù)設(shè)置

④信號(hào)增益模塊增益“-1”參數(shù)設(shè)置如下圖。

圖6 信號(hào)增益模塊增益“-1”參數(shù)設(shè)置

雙極性PWM控制電路仿真結(jié)果如圖7所示。

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圖7 雙極性PWM控制電路仿真結(jié)果 H橋DC/DC變換系統(tǒng)的電路仿真模型建立與實(shí)現(xiàn) H橋DC/DC變換系統(tǒng)的電路仿真模型如圖

由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

圖8 H橋DC/DC變換系統(tǒng)電路模型

相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置：

① 直流電壓源參數(shù)U=100V；

圖9 直流電壓源參數(shù)設(shè)置

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

圖10 IGBT參數(shù)設(shè)置

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③ 負(fù)載參數(shù)R1=1000Ω，L=0H，C=inf；

圖11 負(fù)載R1參數(shù)設(shè)置

負(fù)載參數(shù)R2=10Ω，L=100e-3H，C=500F；

圖12 負(fù)載R2參數(shù)設(shè)置

④ 此時(shí)的仿真結(jié)果如圖13所示；

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圖13 直流波幅值為-0.6時(shí)的仿真結(jié)果

增大直流基波的幅值，其參數(shù)設(shè)置如下圖14； 由IGBT組成的H橋型直流/直流變換器的建模及應(yīng)用仿真

圖14 直流波的參數(shù)設(shè)置 幅值為-0.9

此時(shí)的仿真結(jié)果如圖15所示

圖15 直流波幅值為-0.9時(shí)的仿真結(jié)果

改變直流基波的方向，其參數(shù)設(shè)置如下：

圖16 直流波的參數(shù)設(shè)置 幅值為0.6

此時(shí)的仿真結(jié)果如圖17所示

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圖17 直流波幅值為0.6時(shí)的仿真結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)而成的圖8所示H橋DC/DC變換系統(tǒng)電路模型和圖13所示仿真結(jié)果可以看出：仿真開(kāi)始后晶體管IGBT2和IGBT3保持導(dǎo)通，負(fù)載兩端為反向電壓。隨后IGBT1和IGBT4導(dǎo)通，負(fù)載兩端為正向電壓，電流的平均值為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)圖13和圖15可知增大直流基波的幅值可以增大電流的幅值，使電動(dòng)機(jī)速度加快。根據(jù)圖13和圖17可知改變直流基波的方向，負(fù)載的電流平均值為正值，電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)論

本文對(duì)H橋DC/DC變換系統(tǒng)電路進(jìn)行了理論分析，建立了基于MATLAB/Simulink/Power System工具箱的H橋DC/DC變換系統(tǒng)電路的仿真模型，其仿真結(jié)果與理論分析十分吻合，達(dá)到了電動(dòng)機(jī)負(fù)載在四象限運(yùn)行的目的，驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。

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心得體會(huì)

電力電子的仿真實(shí)驗(yàn)終于告一段落了，在此之前對(duì)于simulink仿真的了解可以算得上是從零開(kāi)始吧，雖然在本科的時(shí)候?qū)W習(xí)過(guò)電力電子，有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但是很多知識(shí)也都是一知半解，對(duì)于仿真的學(xué)習(xí)更是一頭霧水。但是經(jīng)過(guò)這次的仿真練習(xí)，我自認(rèn)為還是學(xué)到了很多知識(shí)的。

首先在課程的前一階段，拿到課題以后，我便搜集了很多的資料，抱著學(xué)習(xí)的態(tài)度想更多的學(xué)習(xí)電力電子知識(shí)，同時(shí)學(xué)好simulink仿真，但是在仿真過(guò)程中，還是遇到了不少的難題，比如仿真參數(shù)的設(shè)置，示波器參數(shù)的調(diào)整等，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的查閱資料和不斷改進(jìn)，我的仿真還是有了很大的進(jìn)展。

這樣一個(gè)過(guò)程使我的理論知識(shí)得到了試驗(yàn)和應(yīng)用，使我的理論知識(shí)得到了進(jìn)一步的提高。

總之，這次課程設(shè)計(jì)不但讓我學(xué)到了很多的東西，提高和鞏固了電力電子和matlab等方面的知識(shí)，同時(shí)也增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，這些并不是在課堂上可以學(xué)到的，而且這也是難得的一次同學(xué)間長(zhǎng)時(shí)間交流溝通的機(jī)會(huì)，在課程實(shí)際過(guò)程中發(fā)生許多歡樂(lè)的令人難忘的事，這無(wú)疑為以后的我留下了一個(gè)美好的回憶。在完成仿真作業(yè)后,我發(fā)現(xiàn)我還有許多不足,所學(xué)到的知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，simulink的應(yīng)用是如此的廣泛，在以后的時(shí)間里我將繼續(xù)對(duì)加強(qiáng)對(duì)matlab的學(xué)習(xí)。