电力电子教学中桥式逆变电路的讲解方法

陆道荣 蒋鑫源 李星硕

(南京师范大学 电气与自动化工程学院,南京 210000)

随着电力电子技术的高速发展,逆变电路应用十分广泛。逆变电路常用于蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电的场合。此外,它作为电力电子核心装置还广泛应用于交流电机调速、不间断电源、感应加热电源等场合[1]。单相桥式逆变电路作为一种基础的逆变电路,学生需要对其深入地理解和掌握[2]。

然而在桥式逆变电路的教学中往往直接给出桥式逆变电路的拓扑结构,仅注重对公式的推导和各模态波形的绘制,这种相对比较抽象的教学方式使学生对桥式电路的本质理解不透彻,且对电力电子拓扑结构间的联系缺乏认识[3]。因此,如何在较少的学时内使学生快速掌握桥式逆变电路,并引发学生对电力电子拓扑推演的思考,值得我们教师在教学过程中深入思考[4]。

Buck电路是“电力电子技术”课程中DC/DC变换一章中最基础的电路结构[5],学生在学习逆变电路之前已经完成学习。本文基于Buck电路的原理,提出一种单相桥式逆变电路渐变推演的教学方式,循序渐进地引导学生理解单相全桥和半桥逆变电路的原理及其调制方式,锻炼学生对电路拓扑结构的推演和思考能力,并引入Matlab/Simulink仿真教学,加深学生对电路结构的理解,提升学生的学习兴趣,增强课程的互动性,以期望取得良好的教学效果。

1 单相桥式逆变电路的推导过程

1.1 Buck电路工作原理回顾

Buck电路是DC/DC变换电路中最基本的一种电路,电路结构如图1所示。

图1 Buck电路结构

定义直流输入电压的负端为0电位,当MOS管Q导通时,VAB=Vin;当MOS管Q关断时,VAB=0。

若使用PWM波控制MOS管的开通与关断,则VAB的电压波形如图2所示,其中PWM波的频率为fs,周期Ts=1/fs,占空比为D(0≤D≤1)。

图2 MOS管驱动VGS波形和VAB电压波形

从图2中看出,VAB的平均值为DVin,通过改变占空比D的大小可调节VAB的平均值。虽然VAB的平均值可在0至Vin间调节,但VAB实际电压波形是脉动的,无法直接供给负载。进一步在VAB后加上LC二阶低通滤波器,滤除高频谐波,根据伏秒平衡原理,Buck电路的输出电压等于VAB平均值,即为Vo=DVin。

1.2 单相全桥逆变电路的拓扑推演

逆变电路将直流电压变换为交流电压输出给负载,如图3所示,交流电压可以看作由正半周和负半周组成的电压[6]。

图3 逆变电路输出交流电压波形

根据Buck电路的工作原理可知,通过改变MOS管驱动的占空比D,可实现输出电压V0在0到Vin间的任意变化。若Buck电路的输出电压变化轨迹和交流电压正半周的变化轨迹相同,可实现交流电压正半周的逆变变换,占空比表达式如式(1):

D=vo/Vin=|Vosinθ|/Vin

(1)

因此,正半周逆变电路可为Buck电路,简单变形后如图4(a)所示,其VAB的电压波形和滤波后的输出电压vo如图4(b)所示。可见,VAB电压经过LC二阶低通滤波器后,在电阻R上产生正半周交流电压。

(a) 交流电压正半周逆变电路

交流电压负半周与正半周对称,受到正半周逆变电路的启发,若要获得负半周交流电压,可以将图4(a)中AB两端的电压值交换,即B端接MOS管和二极管的中点,而A端接到直流电源的负端,如图5所示。同上,MOS管驱动的占空比满足式(1)时,负半周逆变电路可以在电阻R上产生交流负半周电压。

为了产生完整周期的交流电压,将正半周逆变电路和负半周逆变电路合二为一,如图6(a)所示。图中,在交流电压正半周时,MOS管Q2关断,开关S1闭合,S2打开;在交流电压负半周时,MOS管Q1关断,开关S1打开,S2闭合。

(a) Buck电路变形正负半周逆变电路的结合

开关S1和S2可以使用MOS管替换,同时二极管D1和D2可以和MOS管的体二极管进行合并,最终得到全逆变电路,如图6(b)所示。

根据图6(b),当MOS管Q2关断,Q4导通,即B点与直流电压负端直接相连,交替导通Q1和Q3,同时根据式(1)改变Q1和Q3驱动的占空比,产生交流电压正半周。对偶地,Q1关断,Q3开通,即A点与直流电压负端直接相连,交替导通Q2和Q4,并根据式(1)改变Q2和Q4驱动的占空比,产生交流负半周。综上所述,全桥逆变电路本质上由两个Buck电路构成,分别调节交流正负电压。

1.3 单相全桥逆变电路的调制方式

上节讨论了全桥逆变电路中交流电压的产生方法,即在交流电压的正半周时,B点电压为0 V,A点电压在0 V和Vin之间切换;在交流电压的负半周时,A电压点为0 V,B点电压在0 V和Vin之间切换。如此,在一个半周内,除了0 V外,AB两端的电压差仅出现Vin或-Vin。该交流电压产生对应的PWM调制方式称为单极性调制。对偶地,除了单极性调制,还有双极性调制方法,即在一个半周内,VAB电压既可等于Vin也可等于-Vin。若在正半周,Q4不再常通,与Q1同时导通和关断,Q2和Q3也同时导通和关断,则VAB在Vin和-Vin间交替切换,波形如图7所示。

图7 双极性调制波形和输出电压波形

根据图7,在双极性调制下,全桥逆变电路输出电压,即VAB的平均值,可表示为:

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

(2)

根据式(2),很容易计算出占空比D产生所需的交流电压。

1.4 单相半桥逆变电路的拓扑推演

全桥逆变电路在双极性调制方式下,Q1和Q4同时导通关断,Q2和Q3同时导通关断。在每个开关周期中,当Q1和Q4同时导通,Q2和Q3同时关断时,全桥逆变电路等效为如图8(a)所示电路。当Q2和Q3同时导通,Q1和Q4同时关断时,全桥逆变电路等效为如图8(b)所示。

(a) 模态1

图8(a)和(b)中,Q1和Q4相互串联可以合并为一个MOS管,同样Q2和Q3也合并为一个MOS管,等效电路进一步转换为图9(a)和(b)。

(a)模态1改进

进一步,对图9(a)和(b)中的电路进行合并,将两个电路中的A点和B点同电位相互连接,得到图10所示的逆变电路。与图6所示的全桥电路相对比,图10中逆变电路仅有一个桥臂,故被命名为半桥逆变电路。

图10 单相半桥逆变电路

2 单相桥式逆变电路的仿真模型

在教学中引入Matlab/Simulink仿真软件,对单相桥式逆变电路的原理进行展示,可以帮助学生更加直观地观察电路的输入输出电压波形,以便于更好地理解电路拓扑和实现原理,提升学习兴趣。

本文的单极性单相全桥逆变电路仿真模型如图11所示,得到的输出电压波形如图12所示。

图11 单极性单相全桥逆变电路仿真模型

图12 单极性单相全桥逆变电路输出电压波形

本文的双极性单相全桥逆变电路和单相半桥逆变电路仿真模型如图13和图14所示,输出电压波形一致,如图15所示。

图13 双极性单相全桥逆变电路仿真模型

图14 单相半桥逆变电路仿真模型

图15 单相半桥逆变电路输出波形

3 互动环节设计

为激发学生学习的主动性和积极性,笔者引导学生结合仿真软件进行工作原理和电路拓扑的推演,以输出交流电压为目标,进行问题引导,而后在教师的引导下讨论。最后布置任务,安排学生预习下一节的三相桥式逆变电路,加强学生的思考与创新能力,并要求学生尝试进行三相桥式逆变电路的仿真,提高学生的课程参与度,调动其积极性[7]。

4 结语

本文详细分析了基于Buck电路原理推演单相桥式逆变电路的教学方法,同时结合仿真软件进行直观的教学演示。该教学方式有利于学生理解单相桥式逆变电路的原理,增强学生学习逆变电路的系统性,锻炼学生的思考能力。另外合理安排学生独立分析,搭建仿真,增强课程的互动性,让学生们主动参与到教学过程中,调动学习的积极性。多次讲授结果表明,该讲解方法清晰明朗,反馈良好,有利于提高学生的思维能力,能够取得积极的课堂效果。