電力電子教學(xué)中橋式逆變電路的講解方法

陸道榮 蔣鑫源 李星碩

(南京師范大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,南京 210000)

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展,逆變電路應(yīng)用十分廣泛。逆變電路常用于蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負(fù)載供電的場合。此外,它作為電力電子核心裝置還廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等場合[1]。單相橋式逆變電路作為一種基礎(chǔ)的逆變電路,學(xué)生需要對其深入地理解和掌握[2]。

然而在橋式逆變電路的教學(xué)中往往直接給出橋式逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),僅注重對公式的推導(dǎo)和各模態(tài)波形的繪制,這種相對比較抽象的教學(xué)方式使學(xué)生對橋式電路的本質(zhì)理解不透徹,且對電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的聯(lián)系缺乏認(rèn)識[3]。因此,如何在較少的學(xué)時內(nèi)使學(xué)生快速掌握橋式逆變電路,并引發(fā)學(xué)生對電力電子拓?fù)渫蒲莸乃伎?值得我們教師在教學(xué)過程中深入思考[4]。

Buck電路是“電力電子技術(shù)”課程中DC/DC變換一章中最基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)[5],學(xué)生在學(xué)習(xí)逆變電路之前已經(jīng)完成學(xué)習(xí)。本文基于Buck電路的原理,提出一種單相橋式逆變電路漸變推演的教學(xué)方式,循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生理解單相全橋和半橋逆變電路的原理及其調(diào)制方式,鍛煉學(xué)生對電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的推演和思考能力,并引入Matlab/Simulink仿真教學(xué),加深學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)的理解,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)課程的互動性,以期望取得良好的教學(xué)效果。

1 單相橋式逆變電路的推導(dǎo)過程

1.1 Buck電路工作原理回顧

Buck電路是DC/DC變換電路中最基本的一種電路,電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Buck電路結(jié)構(gòu)

定義直流輸入電壓的負(fù)端為0電位,當(dāng)MOS管Q導(dǎo)通時,VAB=Vin;當(dāng)MOS管Q關(guān)斷時,VAB=0。

若使用PWM波控制MOS管的開通與關(guān)斷,則VAB的電壓波形如圖2所示,其中PWM波的頻率為fs,周期Ts=1/fs,占空比為D(0≤D≤1)。

圖2 MOS管驅(qū)動VGS波形和VAB電壓波形

從圖2中看出,VAB的平均值為DVin,通過改變占空比D的大小可調(diào)節(jié)VAB的平均值。雖然VAB的平均值可在0至Vin間調(diào)節(jié),但VAB實際電壓波形是脈動的,無法直接供給負(fù)載。進(jìn)一步在VAB后加上LC二階低通濾波器,濾除高頻諧波,根據(jù)伏秒平衡原理,Buck電路的輸出電壓等于VAB平均值,即為Vo=DVin。

1.2 單相全橋逆變電路的拓?fù)渫蒲?/h3>

逆變電路將直流電壓變換為交流電壓輸出給負(fù)載,如圖3所示,交流電壓可以看作由正半周和負(fù)半周組成的電壓[6]。

圖3 逆變電路輸出交流電壓波形

根據(jù)Buck電路的工作原理可知,通過改變MOS管驅(qū)動的占空比D,可實現(xiàn)輸出電壓V0在0到Vin間的任意變化。若Buck電路的輸出電壓變化軌跡和交流電壓正半周的變化軌跡相同,可實現(xiàn)交流電壓正半周的逆變變換,占空比表達(dá)式如式(1):

D=vo/Vin=|Vosinθ|/Vin

(1)

因此,正半周逆變電路可為Buck電路,簡單變形后如圖4(a)所示,其VAB的電壓波形和濾波后的輸出電壓vo如圖4(b)所示。可見,VAB電壓經(jīng)過LC二階低通濾波器后,在電阻R上產(chǎn)生正半周交流電壓。

(a) 交流電壓正半周逆變電路

交流電壓負(fù)半周與正半周對稱,受到正半周逆變電路的啟發(fā),若要獲得負(fù)半周交流電壓,可以將圖4(a)中AB兩端的電壓值交換,即B端接MOS管和二極管的中點,而A端接到直流電源的負(fù)端,如圖5所示。同上,MOS管驅(qū)動的占空比滿足式(1)時,負(fù)半周逆變電路可以在電阻R上產(chǎn)生交流負(fù)半周電壓。

為了產(chǎn)生完整周期的交流電壓,將正半周逆變電路和負(fù)半周逆變電路合二為一,如圖6(a)所示。圖中,在交流電壓正半周時,MOS管Q2關(guān)斷,開關(guān)S1閉合,S2打開;在交流電壓負(fù)半周時,MOS管Q1關(guān)斷,開關(guān)S1打開,S2閉合。

(a) Buck電路變形正負(fù)半周逆變電路的結(jié)合

開關(guān)S1和S2可以使用MOS管替換,同時二極管D1和D2可以和MOS管的體二極管進(jìn)行合并,最終得到全逆變電路,如圖6(b)所示。

根據(jù)圖6(b),當(dāng)MOS管Q2關(guān)斷,Q4導(dǎo)通,即B點與直流電壓負(fù)端直接相連,交替導(dǎo)通Q1和Q3,同時根據(jù)式(1)改變Q1和Q3驅(qū)動的占空比,產(chǎn)生交流電壓正半周。對偶地,Q1關(guān)斷,Q3開通,即A點與直流電壓負(fù)端直接相連,交替導(dǎo)通Q2和Q4,并根據(jù)式(1)改變Q2和Q4驅(qū)動的占空比,產(chǎn)生交流負(fù)半周。綜上所述,全橋逆變電路本質(zhì)上由兩個Buck電路構(gòu)成,分別調(diào)節(jié)交流正負(fù)電壓。

1.3 單相全橋逆變電路的調(diào)制方式

上節(jié)討論了全橋逆變電路中交流電壓的產(chǎn)生方法,即在交流電壓的正半周時,B點電壓為0 V,A點電壓在0 V和Vin之間切換;在交流電壓的負(fù)半周時,A電壓點為0 V,B點電壓在0 V和Vin之間切換。如此,在一個半周內(nèi),除了0 V外,AB兩端的電壓差僅出現(xiàn)Vin或-Vin。該交流電壓產(chǎn)生對應(yīng)的PWM調(diào)制方式稱為單極性調(diào)制。對偶地,除了單極性調(diào)制,還有雙極性調(diào)制方法,即在一個半周內(nèi),VAB電壓既可等于Vin也可等于-Vin。若在正半周,Q4不再常通,與Q1同時導(dǎo)通和關(guān)斷,Q2和Q3也同時導(dǎo)通和關(guān)斷,則VAB在Vin和-Vin間交替切換,波形如圖7所示。

圖7 雙極性調(diào)制波形和輸出電壓波形

根據(jù)圖7,在雙極性調(diào)制下,全橋逆變電路輸出電壓,即VAB的平均值,可表示為:

vo=DVin-(1-D)Vin=(2D-1)Vin

(2)

根據(jù)式(2),很容易計算出占空比D產(chǎn)生所需的交流電壓。

1.4 單相半橋逆變電路的拓?fù)渫蒲?/h3>

全橋逆變電路在雙極性調(diào)制方式下,Q1和Q4同時導(dǎo)通關(guān)斷,Q2和Q3同時導(dǎo)通關(guān)斷。在每個開關(guān)周期中,當(dāng)Q1和Q4同時導(dǎo)通,Q2和Q3同時關(guān)斷時,全橋逆變電路等效為如圖8(a)所示電路。當(dāng)Q2和Q3同時導(dǎo)通,Q1和Q4同時關(guān)斷時,全橋逆變電路等效為如圖8(b)所示。

(a) 模態(tài)1

圖8(a)和(b)中,Q1和Q4相互串聯(lián)可以合并為一個MOS管,同樣Q2和Q3也合并為一個MOS管,等效電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為圖9(a)和(b)。

(a)模態(tài)1改進(jìn)

進(jìn)一步,對圖9(a)和(b)中的電路進(jìn)行合并,將兩個電路中的A點和B點同電位相互連接,得到圖10所示的逆變電路。與圖6所示的全橋電路相對比,圖10中逆變電路僅有一個橋臂,故被命名為半橋逆變電路。

圖10 單相半橋逆變電路

2 單相橋式逆變電路的仿真模型

在教學(xué)中引入Matlab/Simulink仿真軟件,對單相橋式逆變電路的原理進(jìn)行展示,可以幫助學(xué)生更加直觀地觀察電路的輸入輸出電壓波形,以便于更好地理解電路拓?fù)浜蛯崿F(xiàn)原理,提升學(xué)習(xí)興趣。

本文的單極性單相全橋逆變電路仿真模型如圖11所示,得到的輸出電壓波形如圖12所示。

圖11 單極性單相全橋逆變電路仿真模型

圖12 單極性單相全橋逆變電路輸出電壓波形

本文的雙極性單相全橋逆變電路和單相半橋逆變電路仿真模型如圖13和圖14所示,輸出電壓波形一致,如圖15所示。

圖13 雙極性單相全橋逆變電路仿真模型

圖14 單相半橋逆變電路仿真模型

圖15 單相半橋逆變電路輸出波形

3 互動環(huán)節(jié)設(shè)計

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性,筆者引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合仿真軟件進(jìn)行工作原理和電路拓?fù)涞耐蒲?以輸出交流電壓為目標(biāo),進(jìn)行問題引導(dǎo),而后在教師的引導(dǎo)下討論。最后布置任務(wù),安排學(xué)生預(yù)習(xí)下一節(jié)的三相橋式逆變電路,加強(qiáng)學(xué)生的思考與創(chuàng)新能力,并要求學(xué)生嘗試進(jìn)行三相橋式逆變電路的仿真,提高學(xué)生的課程參與度,調(diào)動其積極性[7]。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了基于Buck電路原理推演單相橋式逆變電路的教學(xué)方法,同時結(jié)合仿真軟件進(jìn)行直觀的教學(xué)演示。該教學(xué)方式有利于學(xué)生理解單相橋式逆變電路的原理,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)逆變電路的系統(tǒng)性,鍛煉學(xué)生的思考能力。另外合理安排學(xué)生獨立分析,搭建仿真,增強(qiáng)課程的互動性,讓學(xué)生們主動參與到教學(xué)過程中,調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性。多次講授結(jié)果表明,該講解方法清晰明朗,反饋良好,有利于提高學(xué)生的思維能力,能夠取得積極的課堂效果。