三相三重斩波电路仿真与分析

樊战亭FAN Zhan-ting；杜阿美DU A-mei

（咸阳师范学院，咸阳 712000）

0 引言

斩波电路是把直流电变换为另一固定电压或者可调电压的直流电[1]，斩波电路广泛应用在开关电源、直流电动机控制等领域中[2]。与变阻器分压电路相比，直流斩波器能够节约20%～30%的电能[3]。斩波电路的性能直接影响相关设备的质量，是电力电子技术研究重要研究方向之一。多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的，一个控制周期中电源侧的电流脉波数称为斩波电路的相数，负载电流脉波数称为斩波电路的重数[4]。三相三重斩波电路是较为简单的多相多重斩波电路，本文主要讨论三相三重斩波电路工作原理，在Simulink软件中进行建模、仿真，主要分析基本斩波电路和三相三重斩波电路在不同占空比下输出电压、谐波大小等情况，期望能够为斩波电路在实践中应用提供一些参考依据，提高相关设备的应用效益。

1 三相三重斩波电路的工作原理

图1为三相三重斩波电路电路图，由IGBT管V1、电感L1、二极管VD1构成第一个基本降压斩波电路、IGBT管V2主要构成第二个和IGBT管V3主要构成的第三个降压斩波电路并联后组成的复合斩波电路。控制三相三重斩波电路运行通过控制V1、V2和V3等三个IGBT管栅极G的控制电压的周期T、导通时间ton来实现，三相三重斩波电路运行时首先控制V1管先导通ton，T/3时间后V2导通ton，2T/3时间后V3导通ton，就完成了一个周期T控制，不断重复上述过程就能够完成对三相三重斩波电路的控制。三相三重斩波电路总的输出电流i0是三个基本降压斩波电路输出电流i1、i2和i3之和，脉动频率为基本电路的三倍。如果每个IGBT管导通时间ton小于等于T/3，输出电流是三个基本电路输出电流依次简单叠加；当ton大于T/3小于T时，输出电流就存在两个或三个基本斩波电路同时的叠加，从理论上更难分析与计算，采用Simulink软件对三相三重斩波电路进行建模，还利用Simulink软件中的谐波分析工具实现对三相三重斩波电路输出电压更加细致的分析，为在实践中更好地应用多相多重斩波电路提供一些理论参考依据。

图1 三相三重斩波电路图

2 三相三重斩波电路仿真研究步骤

三相三重斩波电路是三个基本降压斩波电路的复合体，为了更细致分析三相三重斩波电路的输出特性，应该与基本降压斩波电路建模、仿真后的输出进行比较、分析，最后得出结论。

主要研究步骤：

①建立三相三重斩波电路模型，控制输出分别基本降压斩波电路、三相三重斩波电路。

②设定占空比从10%-90%以间隔10%依次增加，利用Simulink软件中谐波分析工具，分别求出基本降压斩波电路、三相三重斩波电路输出电流（电压）的平均值、谐波量，并汇总列表。

③依据列表数据对两种斩波电路输出进行比较分析，得出结论。

3 三相三重斩波电路仿真与分析

3.1 三相三重斩波电路的模型

三相三重斩波电路在Simulink软件中的仿真模型图分别如图2所示，图2中的模型主要由直流电源E（100V）、三个全控器件IGBT、二极管VD、滤波电感L（0.005H）、脉冲发生器、负载R（2Ω）以及测量模块等构成。三相三重斩波电路中三个脉冲发生器（Pulse Generator）的周期均设为0.001秒、幅值设为1、开始时间分别设为0秒、0.00033秒、0.00066秒，占空比根据要求均设定区间为10%-90%。如果进行基本降压斩波电路仿真时，只要把Pulse Generator2和Pulse Generator3幅值设定为0，就可以封锁IGBT2、IGBT3两个并联支路的输出，整个电路只有IGBT1控制的单个基本降压斩波电路输出。

图2 三相三重斩波电路模型

3.2 斩波电路输出结果及分析

图3是占空比为20%三相三重斩波电路在Simulink软件中输出结果，最上面一组是三个脉冲发生器输出，脉冲发生器的周期T设为0.001秒，0.01秒时脉冲发生器1输出为1持续到0.0102秒；T/3秒后，在0.01033秒脉冲发生器2输出为1持续到0.01053秒；再T/3秒后，在0.01066秒脉冲发生器3输出为1持续到0.01086秒，1个周期T结束，从0.011秒又开始新的一个周期。中间三条曲线是三个IGBT输出电流，在0.01秒IGBT1支路电流从最小值一直上升到0.0102秒，其上升时间与脉冲发生器1导通时间一致，同时IGBT2、IGBT3两个通道电流下降；在0.0102秒到脉冲发生器2开始导通前，三个通路的电流均下降，直到脉冲发生器2导通后IGBT2通路电流开始上升。三个IGBT并联支路输出电流叠加就形成电阻R上电流，乘以电阻值2Ω就是电阻R上的电压值，就是仿真输出结果最下端的输出图形。

图3 占空比为20%三相三重斩波电路输出结果

为了能够细致分析输出电压、谐波的大小，要对输出电压进行相应的谐波分析。应用Simulink软件中Powergui中的FFT Analysis Tool对输出电压进行分析，如图4所示。可以从图4中看出稳态输出电压的平均值（DC component）为19.84V，谐波（THD）百分比为6.53%。

图4 占空比为20%三相三重斩波电路输出谐波分析

根据上述步骤设定3个脉冲发生器脉冲触发占空比分别为10%-90%，间隔为10%，可以得出三相三重斩波电路不同占空比时的输出平均电压、谐波分量的百分比。如果只设定一个脉冲发生器的输出幅值为1，其余两个脉冲触发去的输出幅值为0，就可以方便得出基本降压斩波电路的输出平均电压及相应的谐波分量的百分比。把上述结果进行列表，可以得出表1基本降压和三相三重斩波电路输出平均电压及谐波分量百分比。

从表1数据可以分析：

表1 基本降压和三相三重斩波电路平均电压及谐波分量百分比

①基本降压斩波电路、三相三重斩波电路在相同占空比时两者的输出电压基本相同，三相三重斩波电路的输出电压更大，都略小于电源E乘以占空比，占空比越小两者差异越小；占空比越大，两者之间的差异稍微变大。

②占空比为10%、20%时，基本降压斩波电路谐波分量与三相三重斩波电路的谐波分量之比小于2；在占空比为30%-60%区间时，两者之比基本都大于4；占空比80%、90%时，两者都较小，同时比值小于2倍。

③占空比大于70%以上，特别是高于80%，基本降压斩波电路谐波分量百分比会明显下降，应用三相三重斩波电路相比于基本斩波电路降低谐波分量输出效果不明显，三相三重斩波电路更多表现为备份电路的形式。

4 结论

基本降压斩波电路、三相三重斩波电路在相同占空比控制情况下两者的输出电压基本相同，都接近于电源电影乘以IGBT的控制端的占空比，三相三重斩波电路的作用主要是降低输出电压的谐波分量。在占空比为30%-70%区间三相三重斩波电路谐波分量为基本斩波电路的20%左右，部分占空比情况下输出电压谐波分量甚至更小。在占空比大于70%后，三相三重斩波电路的谐波分量相比于基本斩波电路在数值上相差较小，更多起一种备份电路的作用。在实践应用中，在应用斩波电路时，可以根据输出电压要求及谐波分量参照上述数据进行设计和选用，以提高相应设备的应用效益和价值。