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基于MATLAB的半桥SLR变换器的仿真

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违缝电-潦狻求 2011年5月25 Et第28卷第3期 Telecom Power Technology May 25,201 1,Vo1.28 No.3 文章编号:1009—3664(2011)03—0048—05 基于MATLAB的半桥SLR变换器的仿真 刘雪春,孙海华 (浙江邮电职业技术学院,浙江绍兴312016) 摘要:软开关电路系统非线性建模及动力学行为研究已逐渐成为电力电子领域研究的热点。文中从实际工程中难 以设计谐振电感和谐振电容的问题出发,在分析了半桥SLR变换器的工作方式及模态的基础上,推导出了电流断续工作 方式下的输出电压与电路参数的关系表达式,从而得出了谐振参数的稳定区间,并在Simulink中进行了仿真验证。所获 研究结果与仿真结果一致。 关键词:半桥;串联负载谐振变换器 MATLAB;仿真 中图分类号:TN712 文献标识码:A Simulation of Half-Bridge SLR Converter Based on MATLAB LIU Xue-chun.SUN Hai-hua (Journal of Zh ̄iang Technical College of Posts&Telecom,Shaoxing 312016.China) Abstract ̄Recently,the research of-the non—linear modeling and dynamics in the soft-switching circuit system has be— come the botspot on the power electronic field.Based on the analysis of work and model of half-bridge SLR converter,this paper deduces relational expression between output voltage and circuit parameters under the discontinuous current mode, and obtains the stability intervals of resonant parameters,then validates the correctness with simulink The studied and simulation results are consistent. Key words:half-bridge;series load resonant converter;MATLAB;simulation 0引 言 波电压。滤波电容C 一般比较大,因此输出电压 可 以认为是平滑稳定的直流电压。 近几年来,软开关电路系统非线性建模及动力学 行为研究已逐渐成为电力电子领域研究的热点。由于 q软开关电路系统普遍为高阶、多模态、工作频率负载依 赖的系统,使适用于硬开关电路系统的基于固定周期 芝t c 的离散映射建模仿真方法具有相当的局限性。 。 本文从实际工程中难以设计谐振电感和谐振电容 图1 半桥串联负载谐振( )变换器电路 的问题出发,在分析了半桥SLR变换器的工作方式及 模态的基础上,推导出了电流断续工作方式下的输出 1.2开关模态分析 电压与电路参数的关系表达式,从而得出了谐振参数 根据开关管的开关情况和谐振电感电流ih的方 的稳定区间,并在Simulink中进行了仿真验证。 向,半桥SLR变换器有五种开关模态,等效电路如图 2所示。 1半桥SLR变换技术 在模态(5)中,开关管Q。和Q2均关断, 为零,谐 1.1 拓扑结构 振电容电压保持不变,负载由滤波电容Cr供电。可见 半桥结构的串联负载谐振(sLR)变换器电路如图 (1)~(4)四种开关模态电路结构完全一样,因此可以 1所示 开关频率 足够高时,则C 、C2端电压可认 统一为图3电路。图3与图2中Q,导通时的电路结 为基本不变,为电源电压的一半。开关管Q 和Q2为 构是一样的,只是电压源表示不同,图中的UE就是等 180。互补导通,且为防止直通,它们之间有死区时间。 效电源电压。 当Q (或者D1)导通时,A、B两点电压VAB= /2;当 图3中谐振电感电流和谐振电容电压的表达式 Q2(或者D2)导通时,A、B两点电压为"UAB:一U /2, 为: 因此A、B两点电压ZPAB是一个幅值为Ud/2的交流方 iL(£)一ILoCO (£一 )+ si (t--to) Z.r 收稿日期:2010-12-01 c(£)一UlE一(己,E~Uco)coso (f—to)+ 作者简介:羽雪春(1982一),女,江西人,讲师,硕士,主要研究方 向为应用电子技术。 ZT工Losin叫 ( —to) ·48· C蠢L馋电潦 2011年5月25日第28卷第3 刘雪春等:基于MATLAB的半桥 SLR变换器的仿真 Telecom Power Technology May 25,2011,Vo1.28 No.3 1 ,/L C Zr一√Lr 7Ct 在工程计算中,可以首先确定固定角频率∞ ,设 (1)Ql导通,/’Lr>0 计 和VC 的峰值作为初始条件,解微分方程,就可以 得到谐振参数L 、C 。 1.4稳定性分析 在谐振软开关电源中,谐振电感和谐振电容的取 值大小直接影响着电路性能的好坏。在实际工程中, (2)Dl导通,iLr<0 (3)Q2导通,l’Lr<0 (5)Ql和Q2均关断,/Lr=0 图2五种开关模态等效电路 图3 SLR等效电路 等效电路的基本原理是基本的LC谐振电路,工 作情况有电流断续型和电流连续型两种。 1.3半桥SLR电路的设计 设计SLR电路,主要是选取谐振参数,即L 、C 的 值。由图3可以写出谐振方程: fL 警+ 一VE— 。  Ic 警 r 而SLR电路的谐振角频率 和特征阻抗Z 分别 为: 最难设计的参数是谐振电感和谐振电容的值,下面分 析纯电阻负载在电流断续工作方式下,输出功率与输 入电压范围内谐振电感和谐振电容的取值范围。 当 <厂T/2,变换器工作在电流断续时,结合图1 可知: 负载电流等于副边电流的平均值,即, 下 下 Io :一 ∞+ 一 ) 2 2 式中,J QrT1为开关管导通时副边电流的峰值;11Dm为二 极管导通时副边电流的峰值。所以开关管导通时原边 电流的峰值 ∞和二极管导通时原边电流的峰值j 分别为: IQm一 1 J QrrI Ua+NUo NUo一 而J嘶 —— _ J —— 所以有 “ )一N ( + 1 1 N 一面NT ̄Ua 所以 z 一√ 一 而Tr=27r ̄/j , Po由此可以证明输出参数与输人电压、谐振参数、开 关周期和变比有关,可以通过调节这些参数达到要求 的输出电压值。 c 一 Io rs 6兀 U 当直流输入电压 最大,输出功率P。最小(输出 负载电阻最大)时,谐振电容最小。 通住电潦技术 2011年5月25日第28卷第3期Telecom Power Technology 垄! Qvo :垫 三 CT曲 一J 丁 当直流输入电压 最小,输出功率P。最大(输出 负载电阻最小)时,谐振电容最大。 期震荡。二极管电压波形和开关管的反向对称。 r 一! 一 27【NU 所以,在变比、谐振频率和开关频率一定的情况 下,谐振电容在输入电压和输出负载变化时,系统稳定 时谐振电容的取值区间为Cr∈[ 血,C一 ]。由于谐 振频率一定,所以谐振电感也有对应取值区间。 著取N=1,Ud=380 V,丁s=8×10叫s,P。:4 kW,Io=36.36 A,∞ =25 krad/s, =2.5×10~S。 假设U :480 V,U :280 V;J一=55 A,J :5 A。 所以, =1.33×10一F,此时L一 =1.20 x 10一 H: 输入电压和输出功率为额定值时,C :9.65× 10一 F,此时L =1.66×10一 H;C =2.75×10一 F,此时L _m=5.82×10一H。 2基于MATLAB软开关逆变电源的仿真 2.1仿真模型 本文应用MATLAB中Simulink工具设计实际 电源,技术参数为功率4 kW,电源380 V输入/110 V 稳压输出,开关管频率25/2 kHz左右。建立的仿真 模型如图4所示。 图4仿真模型 2.2 DCM模式下仿真参数与结果 DCM模式下的仿真参数:Ud=380 V;C =C2= 240e—F;D=30 ,Ts=7.7e~s;L =8e~H,C = 2e一 F;P =5 000 VA,厂n=1.25e3 Hz;N:1;Cf= 240e一 F;R:3 Q。 由图5可以看出,开关管Q 和其反并二极管D, 交替导通,电流波形为半个谐振周期的正弦波。Q1导 通时问约为1.25e—s,即半个谐振周期,其后二极管 导通,导通时间约为1.25e~s,也即半个谐振周期,剩 下的开关周期内两者电流均为0。但有约1 V的反向 电压,这是因为反向续流二极管的导通压降为1.3 V。 Q1有开通和关断电压,开通和关断电流为零,二 极管的反向电压为电源电压380 V(输人电压值),周 ·50· j■ 1] l【j  l. Lj  ] l 。 。{ 图5断流时Q1驱动脉冲电压、Q1和D 电压和电流波形图 图6断流时【, 及变压器原边和副边电压波形图 L_ 嘞 靠 一J }L ^n ^^f\÷^n ^n A^ 百 百L_1 r而 — 厂———_—_—■——_————_] ≤”卜.L /、 志嚣—百 r— r 打i_: . : —  .. __j “s厂—.一————— —r———_] 卜 厂L———i————j—————。———— ———— ————— —— —i、\厂\,、\ 厂\. 厂\/1 ——j 图7断流时原边谐振电感电流、副边整流后 电流、负载电流及输出电压波形图 图6可以看出A、B两端电压基本保持在190 V, 即输入直流电压的一半。 图7可以看到电流 。有明显的断流现象出现。显 而易见,这个情况是属于断续导通工作方式。电阻负 载上电流基本保持在36.7 A±0.5 A波动,变换器输 出电压基本保持在110 V±2 V波动,可以认为是在 误差范围允许内的要求输出的直流电流和直流电压。 说明所设计的参数满足设计要求。 2.3 CCM模式下仿真参数与结果 下面给出当变动开关频率和谐振参数时连续导 通往屯.沫 术 2011年5月25日第28卷第3 刘雪春等: 基于MATLAB的半桥SLR变换器的仿真 Telecom Power Technology May 25,2011,Vo1.28 No.3 通情况的波形。图8、图9和图10是周期为 4e~S,L =1.26e~H,Cr=1.27 F,N=1时的 2.4稳定性仿真参数与结果 各电量的波形。 在前面推导出了变换器在断流工作方式下系统稳 定时谐振电容和谐振电感的取值区间,下面分别从两 个方面进行仿真验证。 (1)C <C nin=1.33 e F时  I ll I A:保证谐振频率不变,设置谐振电容和电感的值 和开关周期,使变换器工作在断流和连续导通方式的 临界状态下。 仿真参数:Ud=380 V;T =5e S;L =2e~H, 图8连续时Q.驱动脉冲电压、Q,和D 电压和电流波形图 图9连续时U 及变压器原边和副边电压波形图 io/A 图10连续时原边谐振电感电流、副边整流后 电流、负载电流及输出电压波形图 从图8和图9中可以看出谐振电感电流没有出现 断流现象。开关管关断时电压和电流均为零,但有开 通电流,开通为硬开通,存在开通损耗。反并二极管为 自然开通,但关断时有电流,关断为硬关断。开关管和 二极管交替导通。 通过对变换器的断流和连续工作方式的仿真,可 以发现变换器工作在断流方式时的主电流相对比较 大,一般大于100 A,但是电路没有损耗。在连续工作 方式时的主电流较小一般为几到十几安培,但是电路 存在损耗。 C =8e F。 仿真得到各变量波形图如图11和图12所示。 o. 0.04250.0430.04350 0440.0445 皿皿一 0.04250.0430.0435哑皿皿 0 0440.0445 :罨 墅0.04250.0430.04350.0440.0445 0.04250 0430.0435匹 圈 0.0440.0445 t/s ,/s : 一 因 圜 图11 谐振电容过小时Q,驱动脉冲电压、Q.和D 电压和电 流波形图(左边); 及变压器原边和副边电压波形图(右边) il r/A 立 0.0432 0·0434 0.0436 0.0438 0 044 0 0442 0 0444 0.O446 0 0448 l ̄to//sA 。38L   蕊 丽靠 /\矗 八毒、/ 暑7· }/ :, /、:/ _八. ,、/、^/ 肌: ¨L百 五 击 盎 击 壶 图12谐振电容过小时原边谐振电感电流、副边整流后 电流、负载电流及输出电压波形图 从图11和图12看出开关周期已经调节到断续工 作状态的最小值,而输出电压也只有约7.2 V。达不 到系统的110 V直流输出的要求。 B:调节输人直流电压和负载,使得输入电压最 大,负载最大。此时,在谐振参数一定的情况下,输出 电压在断流工作时应该是最大的。仿真参数:Ud= 480 V; =5e~S;L =2e~H,C =8e一 F;R=22 Q。仿真得到的各参数波形如图13所示。 系统到达稳定的时间比较长,约为0.9936 S,最后 的输出电压约为55 V。 £善L伤电涿技术 2011年5月25日第28卷第3期 ILr/A 10 Telecom Power Technology May 25,201 1,Vok 28 No.3 : , 爨匪薹 薹至ILr/A薹至霾0·082 0‘O84 O’086 0 O88 0 09O‘092 |/s/^   。 舢 。L_— 轰 — — 1 — 嘉— 玄 0’o94 0 096 O’098 。厂——『-——■——■——■——_『_——■——__] ≤ 二: 0.4935 0.494 蛐 盘 0.4945 0.495 匡圣垂圣圣翌薹銎0·082 0.084 0’0 0 0 0 |/s0 lo/A 0_0 0-0 0’098 0.4955 0.496 0.4965 ;E至至主主主主 诿匿蒌要80 L 0 082 0.084 0.086 _一‘ 。 0. 088 —上_ 009 薹噩委蚕0092 习之 £ —L : bL G96 k二 0.098皇 。 0094 0姗 。 螂 2 00巨三王 至 0 082 u u6q U·啪 u·㈣ U·u, u·uy‘ U-u" U.u帅 u·u,b §如图15谐振电容过大时原边谐振电感电流、副边整流后 0  …1..,..... .. … … …『_j............ ......... .JL...........i.... !........ . .. ........一 .. 一…1......... i  电流.负彗直流殛蝓出电压波形图 图13最大输入电压和最大负载时,原边谐振电感电流、 由上仿真可知变换电路中谐振电容不能大于 副边整流后电流、负载电流及输出电压波形图 最小且输出功率最大时的值,否则电路中开关管和二 确定谐振频率为25 krad/s,谐振周期约为2.5e-4 极管开通时有很大的尖峰电流,且电路输出电压也不 s,要保持变换器工作在断流工作方式,开关周期最小 能达到要求的稳定电压值。 只能为5e s。此时,输出电压只有7.2 V,即使调节 输入直流电压和负载使得输入电压最大,负载最大,输 3结语 出电压为55 V,也达不到110 V,变换器不能正常工 谐振变换器能够有效地减小开关损耗,使开关频 作。也就是说,要使得系统稳定输出110 V直流电压, 率得以进一步提高。此外,平滑变化的波形和较小的 变换器的谐振电容不能小于C 。 电压和电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性。 (2)Cr>C一:2.75e F 谐振型电源以其特有的优点,成为新一代电源的最佳 仿真参数: =380 V;丁s=8e s;L =2e。。H, 选择。 Cr=8eI。F;R=3 Q。 本文采用Simulink对半桥SLR变换电路仿真, 从图14和15可以看出开关管和二极管的开通电 验证了谐振频率与开关频率的比值不同时,电路电流 流均达到6 000 V,存在很大的开通电流。 的工作方式不同,并总结了SLR电路不同工作方式的 特点;验证了给出的影响输出电压的参数和电路谐振 参数稳定区间的正确性。 0.0830.0840.0850.0860 087 参考文献: t/s Ol:V/V&1/A UI/V [13 李金鹏,尹华杰.直流开关电源的软开关技术及其新发展  1、一0 ~ 6 f 一 EJ].电工技术杂志,2004,7:75—79. 0.082 0.084 0.086 0.088 0.0830.0840.0850.0860 087 E2] 姜媛媛,李振璧.软开关技术的发展及其现状[J].煤矿机 I/s t/s DI:V/V&t/A V2/V 械,2005,11:3-5. E3] 欧阳长莲.17)C-DC开关变换器的建模分析与研究[D].南 京:南京航空航天大学博士学位论文,2004. E43 徐德鸿.电力电子系统建模及控制EM].北京:机械工业 t/s r/s 图l4谐振电容过大时,Q1驱动脉冲电压、Q1和D1电压和电 出版社,2006. 流波形围f左.边) L 及变压器原边和副边电压波形图f右边) 瓷豫翘嘲 微晶片植入身体可为iPhone充电 据中国之声《新闻纵横》报道,在不久的将来,年轻人在跳舞狂欢的时候,也许还能顺便为他们的iPhone手机充电。 美国的科学家发明了一种叫纳米发电机组成的手机微晶片,如果植入人体后,可以把人体的运动,甚至器官活动产生的能量转 化成电能,进而为-Y-*t)t充电。这种纳米发电机是由美国佐治亚州科技大学的科学家们研发的,他们发现氧化锌支撑的金属丝受震 动时就会产生微弱的电量,人体的任何一个动作,比如说抬手指都能产生震动并且发电。 (摘自:深圳特区报) ·52· 羽

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