全桥DC/DC（H桥）变换电路的设计与实现

　　1　引言

　　桥式可逆斩波电路在电力电子技术、电力拖动和电力系统及其他领域应用最为广泛。对于具有摩擦负载的直流调速系统需要能在四象限内运行的直流变换电路，从而发展出了桥式可逆斩波电路。传统的四象限直流电源是由两组反并联相控式整流电路实现的，因此具有和其他相控式电源一样的固有缺点：网侧功率因数随着调压加深而变得很低；系统惯性大无法满足诸如伺服系统类要求快速响应的场合。以DC/DC变换原理为基础的直流电压变换电路由于在交流侧采取不控整流方式，故网侧功率高，且不随输出电压变化；由于采用开关频率较高的斩控方式，故系统惯性小，快速响应性能好。因此，调试桥式可逆斩波电路的相关参数并对负载的工作情况进行对比分析与研究，对工程实践具有较强的预测和指导作用。

　　2　电压型单相桥式逆变电路原理

　　电压型单相桥式逆变电路如图1所示，采用IGBT开关管作为开关器件，负载为电感性，对晶体管的控制按如下程序进行：在正半周期时让晶闸管VT1保持导通而让晶闸管VT4交替通断。两管同时导通时，负载两端所加电压为直流电源电压ud，电动机工作于第1象限；当VT1导通VT4关断时，直到使VT4再一次导通之前由VD3续流。若负载电流衰减较快则在VT4再一次导通之前负载电压为零。这样负载上的输出电压就可以得到零和+ud两种电平。同样在负半周让晶体管VT2保持导通，当VT3导通时负载被加上负电压-ud，电动机工作于第3象限；当VT3关断时VD4续流，负载电压为零，负载电压可以得到-ud和零两种电平。这样在一个周期内逆变器输出的PWM波形就由±ud和零三种电平组成[1]。二极管用于逆变电路的续流。从某种意义上来说，四象限直流变换电路是输入信号频率趋于零的逆变电路。

　　负载在不同工作状态下参与导通的管子及输出逆变电压的情况如表1所示。

　　表1 单相桥式逆变电路工作情况

　　3  双极性控制电路仿真

　　波形调制方法如下：载波uc在调制信号ur（正弦波）的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。在uc与ur的交点时刻控制VT3和VT4的通断。在ur的正半周VT1保持导通，ur>uc时VT4导通，负载电压u0=ud,uruc时使VT3关断，u0=0。这样就得到PWM波形u0[4]。

　　双极性控制电路是指在一个斩波周期中输出电压u0的极性将有一次改变，即平均值

　　式中T是斩波周期，DT是功率器件的载流时间，D是占空比。式（2）表明U0的幅值和极性均取决于D值。比如：D=0.5则Uo=0。双极性电路电流脉动大，但不会出现电流断续。

　　双极性PWM控制发生电路模型如图2所示。相应参数设置：①三角波模块输出电压［-1，1］；②正弦波模块频率１Hz，电压0.5V；③关系运算模块关系类型“＞”；④信号增益模块增益“-1”。

　　双极性PWM控制电路仿真结果如图3所示。

　　 4  单极性触发方式电路实现

　　本系统的主电路采用单极性PWM控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，VT1~VT4分别由PWM产生的信号经过驱动电路放大后触发[4]。控制方式为：图1中超前臂两个管子的驱动脉冲ug1=-ug2使VT1和VT2交替导通；右边两个管子因电机转向不同而施加不同的直流控制信号，在输出正电压时ug4恒正ug3恒负，使得VT3导通VT4截止；在输出负电压时，VT3截止VT4导通。

　　单极性电路指在一个斩波周期中，u0仅有幅值的变化而无极性的变化，即

　　上两式表明，u0的输出极性与控制电压的极性us有关。单极性电路的电流脉动小，在轻载下会出现电流断续。

　　单极性PWM控制触发电路模型如图4所示，使用了双极性触发电路，即图2所示电路作为一个子系统来使用，为实现单极性触发选用了一个关系运算模块来实现与门输出。相应的参数设置：①关系运算模块关系类型“

　　与双极性控制输出的PWM波只有±ud两种电平不同，单极性控制输出的是±ud和0三种电平。单相桥式电路既可以采用双极性调制也可以采用单极性调制，由于两种方式对开关器件通断电控制规律不同，从而输出波形有较大的差异。不管是双极性电路还是单极性电路，在触发脉冲形成过程中都要加上适当的逻辑延时，以防止触发信号产生竞争冒险。呈现在仿真结果中就是一种“毛刺”现象，一般影响实验的准确性，严重时甚至导致实验失败。

　　5  H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型建立与实现

　　H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型如图6所示[3]。

　　相应的参数设置：①直流电压源U=100V；②IGBT参数：Ron=0.001Ω，Lon=1e-6H，Vf=1V，Rs=1e5Ω，Cs=inf;③负载参数：R1=1000Ω，R2=10Ω,L=0H，C=inf。此时的仿真结果如图7所示。

　　根据图6所示H桥DC/DC变换系统电路模型和图7所示仿真结果可以看出：仿真开始后晶体管VT2保持导通，电动机工作于第3象限，随后依次工作于4、1、2象限。

　　在设计以上电路模型时，应按照如下顺序：先做好最小的子系统并进行调试仿真，得到满意的仿真结果之后再组成较大的子系统，以此类推，最后完成整个系统的设计。在调试过程中发现问题可以逐步缩小问题所在的范围，确定其最可能存在于那个子系统，从而迅速判断解决，提高处理问题的效率。

　　6  结论

　　本文对H桥DC/DC变换系统电路进行了理论分析，建立了基于MATLAB/Simulink/Power System工具箱的H桥DC/DC变换系统电路的仿真模型，其仿真结果与理论分析十分吻合，达到了电动机负载在四象限运行的目的，验证了本文所建模型的正确性。