葛笑寒

(三门峡职业技术学院,河南三门峡472000）

引言

隔离型直流变换电路主要有正激、反激、半桥、全桥和推挽电路等。全桥电路也被称为H桥电路，电路中的变压器双向励磁，容易达到大功率，故在大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等领域广泛应用。该电路变压器二次侧有全波整流全桥整流两种拓扑结构。全波电路中只需要两个二极管，元件数较少，损耗小。文献[1]研究了隔离型半桥变换器,该电路由两个交替工作的正向变换器构成，器件的最大占空比必须低于0.5以防止初级侧的跨导击穿输入源。在负载电感电流连续和断续条件下，仿真了不同占空比时的输出电压。文献[2]研究了隔离型全桥变换电路原理。该电路原边四个全控器件交替工作，原边开关的电压应力是半桥变换的一半。二次侧采用全桥整流，每个器件承受电压为二次侧电压的一半，输出电压是半桥的两倍。由于开关器件增多，提高了成本。

二次侧采用全波整流，能量传递时仅通过一个二极管，整流器的二次绕组几乎没有损耗，提高了效率。

1.隔离型全桥变换电路工作原理

全桥电路中互为对角的两个开关同时导通或者关断，通过改变开关的占空比，就改变了输出电压Uo。如图1所示，当S1与S4开通后，变压器原边N1流入电流，则变压器的副边电流必须从副边绕组的同名端流出，故二极管VD2截止，VD1导通，电感L的电流逐渐上升。在此阶段中，副边整流桥的上桥臂工作；同理，S2与S3开通后，由于原边电流从N1绕组的同名端流出，副边电流也必须进入同名终端，但对于中心抽头变压器，VD1无法形成该电流，故二极管VD1截止，VD2导通，电感L的电流也上升。在实际电路中，四个开关管器件必须由反并联二极管提供能量的反馈通道。当四个开关都关断时，漏感通过S2、S3变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。电感L的电流逐渐下降，S1、S4和S2、S3断态时承受的峰值电压均为Ui。

图1 带隔离变压器的全桥电路原理图

若四个开关管导通时间不对称，则交流电压中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量电流，并可能造成磁路饱和。因此全桥应注意避免直流电流分量的产生，也可以在一次回路电路中串联一个电容，以阻断直流电流。为了避免同一侧半桥中上下两开关在换流过程中发生短暂的同时导通而损坏开关的现象，每个开关各自的占空比不能超过50%，并应留有裕量。即在一对电力开关器件关断和另外一对电力开关器件导通之间预留一个死区时间，该时间至少是一个开关器件的关断时间。以防止同一桥臂的S1和S2，或者S3、S4同时导通造成短路。

图2 全桥电路原理图及理想化工作波形

1.1 变换器的连续工作模式

对于电感的半个稳态周期中，在不考虑寄生损耗的情况下，有

所以

1.2 变换器的断续工作模式

理论上，全桥变换器在环流阶段电感电流降为零，进入DCM状态，即断续工作状态[3]。但是输出电感释放所有能量到负载的效率不高，当电感电流减少到一半时二极管VD2截止，励磁电流经过VD1流向负载，释放能量真正进入DCM状态。输出电感电流不连续，输出电压Uo随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，。

2.MATLAB建模与仿真

2.1 建立仿真模型

仿真模型如图3所示，主电路主要有直流电源DC、四个IGBT器件及电力二极管，变压器及负载构成[4]。直流参数设置为200V，负载为纯电阻，大小为10欧姆，电容参数为0.1微法，电感参数为0.01H,变压器参数变比为50:50:50，频率为50HZ；控制电路的模型由两个脉冲发生器控制，分别控制对角的两个IGBT，发生器峰值设置为10，周期为0.02S，宽度为50%，相位延迟为0；另外一个触发器脉冲延迟为0.01S，其他参数与上一个触发器相同。

图3 仿真模型的建立

2.2 仿真结果及分析

仿真波形从上到下依次为IGBT器件通过S1管的电流is1,开关器件S1的电压US1，输出电压UO，变压器二次侧电压U2和滤波电感电流Il。

电感电流连续时的仿真图如图4所示，当电感值增大时，取0.1H,负载电阻为10欧姆，电容为1000微法，脉冲宽度为0.45，变压器变比不变。此时负载电感电流IL连续，且接近于10A。全控器件S1的电流IS1的最大值也接近10A，电压波形和断续时基本相同。根据理论分析，当负载滤波电感电流连续，输出电压。仿真模型中数字示波器显示输出电压为87V，基本接近理论值。输出电压随着脉冲宽度的减小而减小。为了避免管子损坏，脉冲宽度一般小于0.5。通过仿真波形分析发现，当电流连续时，输出电压UO和理论分析相同。

滤波电感电流断续时的波形如图5所示，当功率管S1和S4的门极驱动电压Ug1为10V时，周期为0.02秒，脉冲宽度为0.4时，全控器件S1和S4开通，S1器件流过的电流iS1，而S1两端的电压则为零；当Ug为零时，全控器件S1和S4关断，S1中电流为零，S1两端的电压为电源电压的一半，当滞后半个周期的Ug2出现时，S1两端承受电源电压，故在一个周期内成阶梯矩形波。根据理论分析，当负载滤波电感电流断续，且负载电流为零的极限条件下，输出电压UO只和变压器的变比及电源电压有关。设置滤波电感值0.003H,负载电容为10微法，电阻值为10千欧姆，占空比为0.4，变压器一次和二次的变比为1：1，得到输出电UO压接近于电源电压100V。因为对角两组全控器件S1、S4和S2、S3以50HZ的频率开通和关断，因此在变压二次侧到电压波形U2为正负交替的矩形波信号，该波形随占空比改变而改变。电压器右侧为单向全波整流电路，把交流信号转换成直流电压信号。由于此处设置的电感值极小，而电阻值很大，故电感和负载电流近似为零。通过仿真波形分析发现，当电流断续时，输出电压UO只和变比及电源电压有关。

3.结语

详细分析隔离型全桥电路工作原理。使用MATLAB/Simulink仿真软件建立了仿真模型，并分别对负载电感电流连续和断续两种情况下，对理论分析过程进行仿真。结果表明，两种工作模式下的仿真效果和理论分析完全一致。输出采用全波电路，电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，输出电压也完全达到了输出采用全桥电路的效果。和直流斩波电路相比，该电路安全、抗干扰性更强，且整流电路中只需要两个二极管，元件数较少。在中低电压领域应用广泛。

图5 滤波电感电流断续时的波形