全桥逆变电路双极性SPWM调制电路

单相全桥逆变电路双极性SPWM调制电路 1逆变主电路设计

1.1逆变电路原理及相关概念

逆变与整流（Rectifier）是相对应的，把直流电变为交流电的过程称为逆变。根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变，在不加说明时，逆变一般指无源逆变，本文针对的就是无源逆变的情况；根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波，由于题目要求对输出电压进行调节，所以本文只讨论电压型逆变电路；根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，由于题目要求输出单相交流电，所以本文只讨论单相全桥逆变电路。

1.2单相全桥逆变电路设计

单相全桥逆变电路，如下图所示：其特点是有四个桥臂，相当于两个半桥电路的组合，其中桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180，其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍。全桥电路在带阻感负载时还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。

图 1单相全桥逆变电路

1.3建立单项全桥逆变电路的Simulink的仿真模型

1.3.1模型假设

1)所有开关器件都是理想开关器件，即通态压降为零，断态压降为无穷大，并认为各 开关器件的换流过程在瞬间完成，不考虑死区时间。

2)所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定，不存在波动。

1.3.2利用MATLAB/Simulink进行单项全桥逆变电路仿真

在Simulink工作空间中添加如下元件：

Simscape/SimPowerSystems/PowerElectronics中的Diode、IGBT模块 Simscape/SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltageSource模块 Simscape/SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch模块 Simscape/SimPowerSystems /powergui模块 Simulink/Sinks/Scope模块

利用上述模块得到单相全桥逆变电路模型：

图 2 单相全桥逆变电路的Simulink的仿真模型

各个模块的参数设置如下：

“DC VoltageSource”模块幅值设为110V；

“powergui”中“Simulationtype”选为“continuous”，并且选中“Enableuseof idealswitchingdevice”复选框； “Solver”求解器算法设为ode45； 仿真时间设为6S。

2正弦脉宽调制(SPWM)原理及Simulink仿真

2.1正弦脉冲宽度调制(SPWM)原理

PWM脉宽调制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术。通过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含幅值和形状)。PWM的一条最基本的结论是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同，冲量即窄脉冲面积，这就是我们通常所说的“面积等效”原理。因此将正弦半波分成N等分，每一份都用一个矩形脉冲按面积原理等效，令这些矩形脉冲的幅值相等，则其脉冲宽度将按正弦规律变化，这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形叫做SPWM。示意图如下图所示：

图 3 SPWM调制示意图

2.2双极性SPWM控制原理及Simulink仿真

所谓的双极性是指在调制信号波的半个周波内三角载波有正负两种极性变化。用调制信号波与三角载波比较的方法可以产生双极性SPWM波。

如图4，在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制各个开关器件的通断。 （a）在Ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有负，在Ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。

（b）在Ur的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当Ur>Uc时，1V和4V导通，2V和3V关断，这时如果io>0，则1V和4V导通，如果io<0，则1VD和4VD导通，但不管那种情况都是Uo=Ud。当Ur0，则2VD和3VD导通，但是不管哪种情况都是Uo=Ud。

图4双极性SPWM控制示意图

Simulink仿真

SPWM波是根据三角载波与正弦调制波比较来确定的，根据这个原则，可以构建出电路模型：

图 5 双极性SPWM电路图

将正弦信号生成器SineWave中的幅值Amplitude设置为1，把频率Frequency也设置为2；

将三角波生成器Repeating Sequence中的Time values设为[0~0.25]，把Output values设置为[-2~2]；

将比较器Switch中的Criteria for passing first input设置为u2>Threshold。 调节好参数后，运行程序，便可以得到如图所示的波形，其中每一屏所对应的波形分别为：正弦波、SPWM波以及三角波。

图 6 双极性SPWM信号仿真Scope输出波形图

从图中可以看出波形与理论上的波形形状相同，说明此逆变电路工作正常。

3单相全桥逆变电路输出波形

图7单相全桥逆变电路输出波形

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