基于MATLAB/SIMULINK的DC/DC变换器仿真研究

李一鸣,荣 军

(1.湖南理工学院 计算机学院,湖南 岳阳 414006;2.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

引言

DC/DC变流电路是指将不可调的直流电压转变为另一种可调或固定的直流电压的电路.它能够使便携式产品在电池电压较低的情况下也可工作,并延长电池工作时间[1].它包括直接直流变流电路和间接直流变流电路,这里主要介绍间接直流变流电路(带隔离的直流变流电路).带隔离的直流-直流变流电路的结构如图1所示,同直流斩波电路相比,直流变流电路中增加了交流环节,因此也称为直-交-直电路.

图1 带隔离的DC/DC变流电路结构

采用这种结构较为复杂的电路来完成直流变流的原因是带隔离的 DC/DC变流电路有以下几点好处:第一,输入端和输出端是隔离的;第二,可以提供相互隔离的多路输出;第三,输出电压与输入电压的比例远小于1或者远大于1;第四,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[2].正是因为以上四个原因,DC/DC变换器在实际电路中应用非常广泛,因此本文重点阐述了其工作原理,并设计其元器件的参数,最后在MATLAB/SIMULINK中进行了仿真验证.

1 移相全桥DC/DC变换器的工作原理

以传统的移相全桥零电压开关(PS-FB-PWM)变换器作分析,主电路如图 2所示.它是大功率DC/DC变换器的理想拓扑之一,功率管S1～S4构成了全桥型电路的4个功率开关,CS1～CS4、VDS1～VDS2分别是功率管的漏极与源极间的等效电容和等效二极管.移相全桥零电压开关PWM 电路的特点:移相全桥电路在开关周期 TS内,每个开关导通时间都略小于TS/2,而关断时间都略大于TS/2;同一半桥中两个开关不同时处于通态,每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间.互为对角的两对开关 S1、S4和 S2、S3,S1的波形比 S4超前 0～TS/2时间,而 S2的波形比 S3超前 0～TS/2时间,因此称 S1和S2为超前的桥臂,而称S3和S4为滞后的桥臂[2,3].

图2 移相全桥零电压开关PWM电路

工作过程分析如下:

工作模式1(t0～t1时段):设在0时刻,直到 t1时刻 S1关断,开关 S1与 S4进入了同时导通状态,A、B两点间的电压为Ui,故谐振电感 Lr和隔离变压器原边绕组中流有不断上升电流 iLr,且电容 CS2上的电压为 Ui,方向为上正下负.同时,经隔离变压器耦合,副边绕组 W22所接的整流二级管 VD2导通,将电感L折算至原边绕组中,其电路原理图如图3所示.

图3 移相全桥电路在t0～t1阶段的等效电路图

工作模式 2(t1～t2时段):t1时刻开关 S1关断后,电容CS1、CS2与电感Lr、L构成谐振回路.谐振开始时,电容 CS2释放其存储的电能,经谐振电感Lr、隔离变压器原边绕组和开关 S4,维持电流iLr,同时电容 CS2上的电压uA不断下降,直到 uA= 0 ,VDS2导通,电流iLr通过VDS2续流,其电路原理图如图4所示.

图4 移相全桥电路在t1～t2阶段的等效电路图

工作模式 3(t2～t3时段):t2时刻开关S2开通,由于此时其反并联二极管 VDS2正处于导通状态,因此 S2为零电压开通.S2开通后,电路的状态不会发生变化,继续保持至t3时刻,其电路原理图如图5所示.

图5 移相全桥电路在t2～t3阶段的等效电路图

工作模式 4(t3～t4时段):t3时刻开关 S4关断后,变压器二次侧VD1和VD2同时导通,变压器一次侧和二次侧电压均为零,相当于短路.这种状态反射至原边绕组也等效为短路,故谐振是以谐振电感Lr释放其存储的能量为电容CS4充电方式进行的.当电容CS4上的电压uB被充电至Ui时,开关S4的二级管导通,使电流iLr流回电源Ui.直到S3的反并联二极管导通,这种状态维持到t4时刻S3开通,其电路原理图如图6所示.

图6 移相全桥电路在t3～t4阶段的等效电路图

工作模式 5(t4～t5时段):在t4时刻,开关S3导通.由于此时刻S3的二极管正处于导通状态,故其为零电压导通.S3导通后,与此前导通的S2使A、B两点间的电压为Ui,这使得谐振电感Lr上的电流迅速减小至0后开始反向增长.同时,电容CS4上的电压为Ui,方向为上正下负.电流iLr经隔离变压器耦合,使副边绕组1所接的整流二极管VDS2截止,输出电流全部转移至整流二极管VDS2中.VDS2的导通同样将电感L折算至原边绕组中,其电路原理图如图7所示.

图7 移相全桥电路在t4～t5阶段的等效电路图

至此,全桥型电路完成了由开关S1、S4同时处于导通状态转换至开关S2、S3同时处于导通状态的过程,也即完成了整个开关周期的一半.而另半个周期,即S2、S3同时处于导通状态转换至开关S1、S4同时处于导通状态的工作过程完全与前半个周期对称,过程可参照上述分析过程.移相全桥型零电压开关 PWM 电路的工作波形如图8所示.

图8 移相全桥电路理想工作波形图

设移相全桥电路设计技术指标如下所示[3,4]:

基本条件:电路形式全桥移相

变压器工作频率:50kHz

变压器输入电压:380V

输出电压:48V

输出电流:5A

整流形式:中心抽头全波整流

设定开关器件导通压降及原边线路压降之和为2V,输出电压纹波峰峰值不超过0.24V.

2 电路元器件参数设计

2.1 谐振电感Lr的计算

由于开关管的漏极与源极间电容为24pF,ΔiLf= 2A,根据公式有

2.2 变压器原边和次级边匝数计算

当输入电压取380V时,最低输入电压为Vin(min)= 3 42V ,占空比为0.75,此时输出电压Uo达到要求值,即

其中UDF为变压器副边整流二极管及线路压降之和,取 2V,由上式可计算出U2= 6 7V .从而变压器变比n= 3 42/67 = 5 .

由上面变压器变比有:设变压器原边绕组匝数为N1=380,则变压器副边绕组匝数N2=77.

2.3 副边滤波电感和滤波电容的计算

副边电感电流临界连续时,输出平均电流Io等于电感电流纹波峰峰值ΔiL的1/2.因此有

由式(1),得:

当输出电压为48V,电流为5A时,RL= 9 .6Ω.显然,当变压器原边电压取380V时,占空比为0.75,为保证输出电流5A时电感电流连续,根据式(2),L应满足

设Us为纯直流电压,输出电压纹波主要由器件的开关工作过程引起.显然,当变压器原边电压取380V,占空比取0.75时,此时滤波电感中电流纹波最大,输出电压纹波也最大.

桥式变化器输出电压纹波峰峰值ΔUo可表示为:

应该指出,上述计算是将滤波电容作为理想电容看待的,实际电容总存在着等效并联电阻,且允许通过的波纹电流也是有限的.所以,实际应用中常采用多个电容并联来减小等效电阻的影响,增加通过波纹电流的能力.

3 仿真结果及分析

为了验证变换器设计的可行性和参数选择的正确性,利用 MATLAB软件对该主电路进行仿真[4,5],其仿真波形如图9、图10、图11和图12所示.其中图9为变压器原边电压仿真波形,图10为变压器次级电压仿真波形图,图11为输出电流仿真波形图,图12为输出电压仿真波形图.从图11和图12可以很清楚看到输出电流为5A,输出电压为48V,与理论计算一致,这说明主电路元器件参数设计完全正确.

图9 变压器原边电压仿真波形图

图10 变压器次级电压仿真波形图

图11 输出电流仿真波形图

图12 输出电压仿真波形图

4 结论

本文根据工作波形和各个阶段的工作电路分析了移相全桥DC/DC变换电路的工作原理,并设计其元器件参数,最后在 MATLAB/SIMULINK 中进行仿真验证.仿真结果表明,电路参数设计完全正确,为实际电路设计打下了坚实的基础.

[1] 陈 坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2002

[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电子工业出版社,2001

[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004

[4] 荣 军,李一鸣,陈 曦.基于Pspice的全桥移相变换器的仿真研究[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2010,23(6):49～53

[5] 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].机械工业出版社,2010:127～130