方波逆变

《电力电子电路的计算机仿真》

综合训练报告

班级 电气9班

姓名

学号

专业 电气工程及其自动化 指导教师 陈伟

2012年 12 月 19日

前言

电力电子技术是综合了电子电路,电机拖动,计算机控制等多学科的知识,是一门实践性和应用性很强的课程,由于电力电子器件自身的开关的非线性,给电力电子电路的分析带来一定的复杂性和困难,因此一般用波形分析的方法来研究,本文就是基于MATLAB软件中的Simulink库具有模拟，数字混合仿真功能，具备大量的模拟功能模型和系统分析的能力，进行方波逆变电路的计算机仿真分析。

本文设计了一单相桥式方波逆变电路和一三相桥式方波逆变电路。 单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mh。

三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为530V，电阻负载，负载有功率1KW,感性无功功率0.1Kvar。

完成上述桥式方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

关键词：方波逆变器； IGBT开关器件；计算机仿真

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目录

第1章 MATLAB仿真软件简介 .............................................................................. 3

1.1MATLAB简介 .................................................................................................. 3 1.2 Simulink简介 ................................................................................................... 4

1.2.1 Simulink的功能 ..................................................................................... 4

第2章 IGBT开关器件简介 ....................................................................................... 5

2.1 IGBT的结构 .................................................................................................... 5 2.2 IGBT的工作原理 ......................................................................................... 6 第3章 主电路图工作原理说明.................................................................................. 8

3.1电力电子器件................................................................................................... 8 3.2 逆变电路.......................................................................................................... 8 3.3 逆变电路的基本工作原理.............................................................................. 9 3.4 电压型逆变电路.............................................................................................. 9 第4章 方波逆变电路的计算机仿真模型的建立.................................................... 16

4.1单项桥式方波逆变电路仿真......................................................................... 16 4.2 三相桥式方波逆变电路仿真........................................................................ 19 第6章 参考文献...................................................................................................... 26

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第1章 MATLAB仿真软件简介

1.1MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

优势方面：

（1）友好的工作平台和编程环境 （2）简单易用的程序语言

（3）强大的科学计算机数据处理能力 （4）出色的图形处理功能 （5）应用广泛的模块集合工具箱 （6）实用的程序接口和发布平台 （7）应用软件开发（包括用户界面）

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1.2 Simulink简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

1.2.1 Simulink的功能

Simulink是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

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第2章 IGBT开关器件简介

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。

2.1 IGBT的结构

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

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2.2 IGBT的工作原理

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。 ① 导通：

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的

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电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流（双极）。uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 ② 导通压降：

电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 ③ 关断：

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 ④ 反向阻断：

当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。 ⑤ 正向阻断：

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

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第3章 主电路图工作原理说明

3.1电力电子器件

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。

3.2 逆变电路

逆变概念：逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。

主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。

无源逆变逆变电路的应用：

蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

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3.3 逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路为例：

S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

图3-1 逆变电路及其波形举例

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同（图3-1b）。

t1前：S1、S4通，uo和io均为正。

t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。

io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大

3.4 电压型逆变电路

逆变电路按直流电源性质分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路， 电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

图3-2电路的具体实现。

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图3-2电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

电压型逆变电路的特点：

(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动 (2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同

(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管 （1）单相电压型逆变电路

1、半桥逆变电路 电路结构：见图3-3 工作原理：

V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

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图3-3 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

优点：简单，使用器件少

缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。

单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 2、全桥逆变电路 电路结构及工作情况：

图3-3，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图3-3b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图3-3b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。

输出电压定量分析

uo成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值

uo为正负各180o时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。 移相调压方式（图3-4）。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180o正偏，180o反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0

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图3-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式

（2）三相电压型逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路

可看成由三个半桥逆变电路组成。

180°导电方式：

每桥臂导电180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

图3-5 三相电压型桥式逆变电路

在180?导通型的三相逆变器中，每隔60?的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图3-6所示。

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图3-6

根据图3-6中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120?，如图2（a）所示。而线电压可由相电压相减得出，为脉宽120?的矩形波。

初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为：

其余两相各差120?。相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20％。 对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为：

根据图3-6可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分别为：

当三相逆变器按120 ?导通方式工作时，其输出电压波形如图3-7所示，与前面相反，这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。

对180?导通方式和120?导通方式进行比较可知：在120?方式中，上下两管之间有60?的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，应采取过电压保护措施。而180?导通方式无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，因此对于电压型逆变器，180?导通方式应用较为普遍。 感性负载电流波形

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如果负载电流滞后角超过60?，电流波形如图3-7所示，图的上方为各晶闸管的触发情况，图中电流曲线旁注明的是各管的实际导通情况。由图可见，在直流环节电压极性不变的电压型逆变器中，在感性负载下续流二极管是必不可少的，它既能提供感性负载电流的通路，避免过电压的出现，又可减小输入电流，改善逆变器的效率。

图3-7

当负载为感应电动机时，不仅存在着对各次谐波不同的阻抗，而且还有反电势，它对各次谐波电流的作用是不同的，结果负载电流的波形与图3-8相比有较大差别，其主要原因是负载电流中谐波分量所占的比例加大。

通过上面的论述可见，感性负载下逆变器中可能有三种电流：

（1）功率电流――它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。 （2）环路电流――它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。

（3）反馈电流――它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。

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因此在设计逆变器时，考虑到功率因数很低的情况下仍能使逆变器正常工作，逆变管的触发脉冲宽度应该大于90?，通常取120?的宽脉冲。

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第4章 方波逆变电路的计算机仿真模型的建立

4.1单项桥式方波逆变电路仿真

设计要求：设计一单项桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，电阻负载，电阻一欧姆，电感2mh。设计上述要求完成主电路设计。

1 单项桥式方波逆变电路

图4-1单项桥式方波逆变电路

1.参数设定：

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a.当负载为阻感性负载时：

图4-2 电压、电流波形

波形分析：当负载为阻感性负载时，由于电感有储能作用，所以电流的波形不是

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方波，形似正弦波。 脉冲波形：

b.纯阻性负载：

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图4-3 脉冲波形

当负载为纯阻性负载时其波形图为：

图4-4电压、电流波形

波形分析：当负载为纯阻性负载时，电压电流波形一样，为方波.

4.2 三相桥式方波逆变电路仿真

设计要求：设计一三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为530V，电阻负载，负载有功功率1KW，感性无功功率0.1Kvar。根据上述要求完成主电路设计。

1 三相桥式方波逆变电路

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图4-5 参数设定：

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a.若负载有功功率为1KW，感性无功功率为100var:

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4-6电压、电流波形

波形分析：相电压Ua、Ub、Uc波形为矩形波，电流波形为正弦波。 波形分析：由脉冲波形可以看出，各管子导电相位依次差60度。

由波形图得：当感性无功功率减小时，输出电流波形近似为为正旋波，但波行不连续。通过比较得，电感越大，电流越连续。

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4-7电压电流波形

波形分析：相电压Ua、Ub、Uc波形为矩形波，电流波形为正弦波。 波形分析：由脉冲波形可以看出，各管子导电相位依次差60度。

由波形图得：当感性无功功率减小时，输出电流波形近似为为正旋波，但波行不连续。通过比较得，电感越大，电流越连续。

c.若负载有功功率为1KW，感性无功功率为10000var: 电压电流波形图为

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波形分析：相电压Ua、Ub、Uc波形为矩形波，电流波形为正弦波。 波形分析：由脉冲波形可以看出，各管子导电相位依次差60度。

由波形图得：当感性无功功率减小时，输出电流波形近似为为正旋波，但波行不连续。通过比较得，电感越大，电流越连续。

图4-8矩形波

波形分析：相电压Ua、Ub、Uc波形为矩形波，电流波形为正弦波。

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第5章 总结

短短两周的课程设计就要结束了，在陈老师细心指导下终于完成任务，虽然在整个课程设计的过程中花费了很多时间和精力，但是在这个过程中学到了很多知识。好多原来在课堂上没有学到的知识在这次课设中巩固和加深，在这次课程设计中我们使用了MATLAB软件，由于距上次使用MATLAB已经有很长时间了，为了再次熟悉这款软件的各种使用方法，我们查阅了很多资料，所以我们对这款软件有了更深入的了解。

在这次课设中最大的收获就是不光要了解课本知识，还要善于利用各种工具来获得所需要的资源，并且加深了对各种知识的理解，也对以后工作中的应用积累了经验。

由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能。 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。所以这次的课程设计对我们是非常有帮助的。

整个设计过程中时间比较短，但是在陈老师和同学的关心和帮助，让很多疑难问

题迎刃而解，最后在这里感谢陈老师的指导！和团队的

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第6章 参考文献

［1］林飞，杜欣，电力电子应用技术的MATLAB仿真，中国电力出版社，2009.1 ［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5 ［3］王兴贵，陈伟，现代电力电子技术（M）, 机械工业出版社2010 ［4］电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社2006 ［5］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007

［6］汤才刚，朱红涛，李莉，陈国桥，基于PWM的逆变电路分析，《现代电子技

术》2008年第1期总第264期。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jmqg.html