1、.橋式可逆斬波電路的設計1 設計任務1. 方案設計2. 完成主電路的原理分析 , 各主要元器件的選擇3. 驅動電路的設計4. 繪制系統硬件圖5. 利用 matlab 仿真軟件建模并仿真，獲取輸出電壓電流波形，并對結果進行分析2 初始條件設計一橋式可逆斬波電路（IGBT），已知電源電壓為400V，反電動勢負載，其中 R的值為 5、 L 的值為 1 mH、E=50V。3 設計思路首先明確什么是斬波電路，了解其定義、分類與應用后知橋式可逆斬波電路是利用不同的基本斬波電路進行組合而構成的復合斬波電路，那么，就必須從最基本的斬波電路著手，循序漸進地分析，最后設計出橋式可逆斬波電路, 并利用 matlab

2、 軟件得到正確的波形。4 設計過程直流 - 直流變流電路（ DC-DC Converter ）的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，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斬波電路（ DC Chopper），它的功能是將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，一般是指直接將直流電變為另一直流電，這種情況下輸入與輸出不隔離。直流斬波電路的種類較多，最基本的電路是降壓斬波電路和升壓斬波電路，利用它們進行組合可構成復合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆. . .斬波電路，而橋式可逆斬波電路又可看做是電流可逆斬波電路的升級版或由兩個電流可逆斬波電路組合而成。4.

3、1降壓斬波電路斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現反電動勢，如圖中 EM所示。降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖 1 所示。Ei GOi oOu oOi Gi G Oi oOu oOVLi oRi Gu oVDa)t offt onTi 1i 2I 10I 20t 1Eb)t ont offi 1T t xi 2t 1I 20t 2EEE Mc)圖 1 降壓斬波電路的原理圖及工作波形+ME M-tttttta) 電路圖 b) 電流連續時的波形 c) 電流斷續時的波形工作原理 ：t =0 時刻驅動 V 導通，電源 E 向負載供電，負載電壓 uo =E

4、，負載電流 i o 按指數曲線上升； t =t 1 時刻控制 V 關斷，負載電流經二極管 VD續流，負載. . .電壓 uo 近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小通常使串接的電感L 值較大。數量關系：電流連續時，負載電壓平均值是U ot onEton EEt ontoffTt on V 通的時間，t off V 斷的時間， a- 導通占空比Uo 最大為 E ，減小占空比 a，Uo 隨之減小，因此稱為降壓斬波電路。負載電流平均值是U oEMI oR電流斷續時， Uo 被抬高，一般不希望出現。4.2升壓斬波電路升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖2 所示。LVDi 1i oE

5、VCuoRi Gi Ga)Oti oI 1Otb)圖 2 升壓斬波電路原理及其工作波形a) 電路圖 b) 波形工作原理：假設 L 值很大， C 值也很大。 V導通時， E 向 L 充電，充電電流恒為 I 1，同時 C 的電壓向負載供電，因 C 值很大，輸出電壓 uo 可以看做為恒值，記EI 1ton. . .U oE I 1toff.為Uot onL上積蓄的能量為。V斷時， E 是L共。設 V 通的時間為，此階段同向 C充電并向負載 R供電。設 V 斷的時間為 t off ，則此期間電感 L 釋放能量為。穩態時，一個周期 T 中 L 積蓄能量與釋放能量相等。即有 :EI 1tonU o E I

6、 1toff化簡得：U otontoff ETEtofftoff輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路, 也稱之為 boost 變換器。T / t off 升壓比，調節其大小即可改變Uo 大小。將升壓比的倒數記作，則和導通占空比a 有如下關系：1因此U o1 E1E1升壓斬波電路的典型應用：一是用于直流電動機傳動，二是用作單相功率因數校正（ PFC）電路，三是用于其他交直流電源中。用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形如圖3 所示。LVD. . .MEMVuoEa).圖 3 用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路及其波形a) 電路圖 b) 電流連續時 c) 電流斷續時用于直流電動機

7、傳動時，通常是用于直流電動機再生制動時把電能回饋給直流電源。實際電路中電感L 值不可能為無窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動機電樞電流連續和斷續兩種工作狀態。此時電機的反電動勢相當于 圖 2 電路中的電源，而此時的直流電源相當于圖2 中電路中的負載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯電容。4.3電流可逆斬波電路斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路拖動直流電動機時，如圖1 所示，電動機工作于第1 象限。圖 3 所示升壓斬波電路中，電動機工作于第2 象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動直流電動機時，電動機的電

8、樞電流可正可負，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1 象限和第 2 象限。其電路及其波形如圖 4 所示。uoV1E. VD2LR ioV2OtVDuoMio iV1iD11EM.圖 4 電流可逆斬波電路及其波形a) 電路圖 b) 波形工作原理： V1 和 VD1 構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1 象限； V2 和 VD2 構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第2 象限。要引起注意的是必須防止V1 和 V2 同時導通而導致的電源短路。只作降壓斬波器運行時，V 和 VD 總處于斷態，只作升壓斬波器運行時，則

9、V 和 VD總處于斷態。第3 種2211工作方式：一個周期交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。以 圖 4 為例說明。在一個周期，電樞電流沿正、負兩個方向流通，電流不斷，所以響應很快。局限性：電流可逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運行，但電壓極性是單向的。由此思路設計出橋式可逆斬波電路。4.4橋式可逆斬波電路當需要電動機進行正、反轉以及可電動又可制動的場合，須將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路，如圖 5 所示。VuoV31

10、. . .VD2LRioVD4EMV2+-VD1EVD3.圖 5 橋式可逆斬波電路工作原理：當使V4 保持通態時，該斬波電路就等效為圖4 所示的電流可逆斬波電路，向電動機提供正電壓，可使電動機工作于第1、2 象限，即正轉電動和正轉再生制動狀態。此時，需防止V3 導通造成電源短路。當使V2 保持為通態時，V3、 VD3、V4 、VD4 等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第 3、 4 象限。其中 V3 和 VD3 構成降壓斬波電路，向電動機供電使其工作于第 3 象限即反轉電動狀態，而 V4 和 VD4 構成升壓斬波電路，可使電動機工作于第 4 象限即反轉再生制動狀態

11、。工作方式：雙極性工作方式，單極性工作方式，受限單極性工作方式。4.4.1雙極性工作方式V1 與 V4 同時通斷， V2 與 V3 同時通斷； V1 與 V2 通斷互補， V3 與 V4通斷互補。輸出電壓波形中電壓有正有負，故稱雙極性，如圖6 所示。. . .u oa)0t.圖 6 橋式可逆斬波電路雙極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續時 c) 電流斷續時4.4.2單極性工作方式V1 與 V2 不斷調制， V3 與 V4 全通或全斷； V1 與 V2 通斷互補， V3 與 V4通斷互補。輸出電壓波形中電壓只有正或只有負，故稱單極性，如圖7 所示。uo0ta)io12b)0tioc)1

12、2340t圖 7 橋式可逆斬波電路單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續時 c) 電流斷續時4.4.3受限單極性工作方式. . .V1 不斷調制， V4 全通， V3 與 V2 全斷或 V2 不斷調制， V3 全通， V1 與 V4全斷。輸出電壓波形中電壓只有正或只有負，且輕載時電流也斷續，故稱受限單極性，如圖 8 所示。uo0ta)io12b)0tio12c)0t圖 8 橋式可逆斬波電路受限單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b) 電流連續時 c) 電流斷續時5 仿真結果用 matlab 仿真橋式可逆斬波電路，首先得設計出用于觸發四個IGBT的脈沖發生器，在此只仿真橋式可逆斬波電路工

13、作于雙極性工作方式的情形，即V1與 V4 同時通斷， V2 與 V3 同時通斷； V1與 V2通斷互補， V3 與 V4 通斷互補。脈沖發生器如圖 9 所示。. . .圖 9 脈沖發生器對控制四個 IGBT通斷的兩個脈沖發生器的設置如下：對控制V1、 V4 的脈沖發生器設置如圖 10，對控制 V2、V3 的脈沖發生器的設置如圖11 所示。設置后需保證橋式可逆斬波電路工作在雙極性狀態，則兩組脈沖發生器的相位應相差90 度，即半個周期。圖 10 對控制 V1、V4 的脈沖發生器的設置圖 11 對控制 V2、V3 的脈沖發生器的設置. . .設計最終的主電路圖如圖12 所示。圖 12 主電路圖仿真后

14、得到的波形圖如圖13 所示，上圖為電壓波形，下圖為電流波形。圖 13 波形圖. . .設計總結相對于降壓斬波電路和升壓斬波電路的設計，橋式可逆斬波電路的設計更具難度與挑戰性，可以說是前兩者的有機復合。橋式可逆斬波電路在電力電子技術、電力拖動和電力系統及其他領域應用最為廣泛。對于具有摩擦負載的直流調速系統需要能在四象限運行的直流變換電路，從而發展出了橋式可逆斬波電路。調試橋式可逆斬波電路的相關參數并對負載的工作情況進行對比分析與研究，對工程實踐具有較強的預測和指導作用。本文循序漸進地分析基本斬波電路，最后設計出了橋式可逆斬波電路。在設計的過程中，反復地翻閱課本及相關資料，加深了我對直流斬波電路的理解，在仿真過程中，更加熟練了對