逆变器拓扑结构仿真设计.docx

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逆变器拓扑结构仿真设计

摘要

逆变器是把直流电能转变成交流电能的装置，它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

广泛的应用于工业、交通、能源、航空航天等领域，例如变频调速装置、电解电镀电源、感应加热电源、UPS、焊接电源等。

常见的逆变电路有三种结构：

半桥式，全桥式和推挽式。

本次课程设计要求对这三种逆变器的拓扑结构进行MATLAB仿真。

本文首先分析对比了这三种拓扑结构逆变电路的的优缺点，然后分析了SPWM的控制规律和波形产生原理。

然后进行了三种逆变拓扑结构在SPWM调制下的仿真并作了相关分析，验证了一些关系式，其中主要分析的是全桥逆变电路的相关结论。

最后对比仿真结果得出逆变电路的输出电压的性能指标主要取决于调制控制方式的结论。

关键词：

逆变拓扑结构SPWM调制MATLAB

目录

摘要1

1.设计任务及要求3

2.逆变器主电路结构及特点3

3.SPWM控制规律4

3.1双极性SPWM4

3.2单极性SPWM6

4逆变器拓扑结构的仿真8

4.1全桥式逆变电路的仿真8

4.1.1双极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真模型8

4.1.2双极性SPWM方式下单相全桥逆变电路的仿真结果与分析9

4.1.3单极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真模型14

4.1.4单极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真结果分析14

4.2半桥式逆变电路的仿真15

4.2.1单相半桥逆变电路的仿真模型15

4.2.2单相半桥逆变电路的仿真结果与分析16

4.3推挽式逆变电路的仿真17

4.3.1单相推挽式逆变电路的仿真模型17

4.3.2单相推挽式逆变电路的仿真结果与分析18

4.4比较结论19

5．总结体会20

参考文献21

1.设计任务及要求

初始条件：

设计一个逆变器，参数自定，要求输出频率和幅值恒定；并用matlab进行仿真，仿真结果要证明关系式成立。

要求完成的主要任务:

（1）用simulink设计系统仿真模型；能够正常运行得到仿真结果

（2）完成逆变器拓扑结构仿真，包括：

半桥式、全桥式、推挽式。

2.逆变器主电路结构及特点

单相逆变器主电路拓扑结构主要分为半桥式、全桥式和推挽式3种。

如图2-1所示

图2-1（a）半桥式

图2-1（b）全桥式

图2-1（c）推挽式

半桥电路输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一般，因此，电压利用率低；但在半桥电路中，可以利用两个大电容自动补偿不对称波形，这是半桥电路的一大优点。

全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大1倍。

但全桥式，推挽式电路都催在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。

推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线只有一个开关管的管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。

推挽式比较适合低压输入的场合。

低压输入的推挽式变压器原边绕组匝数较少，一般采用并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度较大。

3.SPWM控制规律

3.1双极性SPWM

SPWM采用的调制波为频率为

的正弦波

（2-1）

其中载波

是幅值为

，频率为

的三角波

载波信号频率

与调制信号频率

之比称为载波比，可以用N来表示，即

N=

/

（2-2）

正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比可以定义为调制深度m

m=Usm/Ucm（2-3）

通常采用Us与Uc相比较的方法生成PWM信号：

当Us>Uc时，功率开关T1、T3导通，逆变电路输出电压

等于Ud;当Us

等于-Udo随着开关管以载波频率

轮番导通，逆变器输出电压u。

不断在正负的间切换。

由于在这种调制方式下，每个开关周期内输出电压波形都会出现正负两种电平，因此称为双极性SPWM。

如图3-1为单相全桥双极性SPWM波形。

图3-1单相全桥双极性SPWM波形

工程上对SPWM逆变器常采用电压平均值模型进行输出基波电压的计算。

当载波频率远高于输出电压基频且调制深度m<1时，可知基波电压U1的幅值U1m满足如下关系

U1m=mUd（2-4）

这是SPWM的一个重要关系，它表明在m<1和fc>>fr的条件下，SPWM逆变输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化。

因此通过控制调制信号，可方便地调节逆变器输出电压的频率和幅值。

在线性调制区内，m=1时输出电压的基波幅值达到最大，即Ud与单相方波逆变器相比，SPWM逆变器的直流电压利用率只有其0.7854倍。

实际上，SPWM并未要求调制深度m一定要小于1，当m>1时称为过调制。

m的增长可以使输出电压"缺口"减少，基波电压幅值增大。

当m趋于无穷大时，电路工作情况将退化为方波逆变的情况。

因此，提高m并不能无限地提升直流电压利用率，而是以方波逆变的情况为上限。

过调制除了带来直流电压利用率的有限增加外，还导致输出电压的低次谐波大量出现，这与SPWM的初衷是有一定矛盾的。

因此，过调制只在某些强调直流电压利用率而对谐波要求不高的场合有所应用。

PWM逆变电路可以使输出电压、电流更接近正弦波，但由于使用了载波对正弦信号进行调制，故必然产生和载波有关的谐波分量。

这些谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。

以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数可推导出PWM波的傅里叶级数表达式。

单相全桥逆变电路在双极性调制方式下输出电压包含的谐波角频率为

（2-5）

其中n=1,3,5…时，k=0,2,4…,n=0,2,4时，k=1,3,5

因为载波频率一般远大于调制波频率，所以输出电压的谐波分布在载波频率和载波频率的整数倍附近。

3.2单极性SPWM

在单极性SPWM调制中，载波比和调制深度的定义与双极性SPWM相同。

在其每个开关周期内逆变输出电压只有零电平和一个正或负电平 。

全桥电路两个桥臂之一，例如开关Tl和T2组成方向臂，当调制信号Ur>0时，Tl导通而T2关断，输出的平均电压大于霉；当调制信号Ur<0时，T2导通而T2关断，输出的平均电压小于零。

另一个桥臂称为斩波臂，采用载波频率的互补控制信号，当Ur>Uc时，T4导通而T3关断，当Ur

电路工作的基本波形如图3-2所示。

图3-2单相全桥单极性SPWM波形

在单极性SPWM模式下，电路有三种工作模式Tl、T4（或其反并联二极管）载流，输出电压为正；T2、T3（或其反并联二极管）载流，输出电压为负；桥臂上侧或下侧一个主功率开关和另一臂同侧续流二极管载流，如Sl、D3载流，输出电压为零。

主电路在每个开关周期内输出电压在正和零（或负和零）间跳变，正、负两种电平不会同时出现在一个开关周期内，故称为单极性SPWM。

它不适于半桥电路，可用于全桥电路。

与双极性SPWM相同，在m<=1和fc>>f的条件下，单极性SPWM逆变电路输出的基波电压u1的幅值U1m满足如下关系：

U1m=mUd（2-6）

即输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化，故其直流电压利用率与双极

性时也相同。

就基波性能而言，单极性SPWM和双极性SPWM完全一致，但在线性调制情况下它的谐波性能优于双极性调制：

开关次整数倍谐波消除，值得考虑的最低次谐波幅值较双极性调制时小得多，所需滤波器也较小。

从开关损耗上看，单极性SPWM调制在一个周期内两只功率管以较高的开关频率（载波频率）互补开关，另两只功率管以较低的开关频率（调制波频率）工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。

因此这也是单极性SPWM的一大优点。

4逆变器拓扑结构的仿真

设计一个逆变器，使输出交流电压的频率为50Hz，交流有效值为220V（交流电压幅值为311V），其中负载为阻感负载，R=1ohm，L=2mH，直流侧电压为Ud=400V。

仿真主电路分别为半桥式，全桥式和推挽式的逆变电路。

4.1全桥式逆变电路的仿真

4.1.1双极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真模型

主电路采用电压型单相全桥逆变电路，开关器件选择IGBT/DIODE，如图3-1所示。

控制电路采用双极性SPWM正弦波脉冲宽度调制技术，SPWM波形产生电路如图3-2所示。

图4-1全桥逆变电路仿真模型

图4-2SPWM波形产生电路

4.1.2双极性SPWM方式下单相全桥逆变电路的仿真结果与分析

仿真结果分析如下

（1）当设置载波比N=15，即载波频率fc=750hz时，输出电压电流和输入电流波形如图3-3所示。

电压为一组等幅不等宽的脉冲，电流波形为近似正弦波形。

通过对输出电压的傅里叶分析，由显示器直接显示输出电压基波幅值为310.7V。

证明了在调制深度m<1时候，式子（2-4）的正确性。

图4-3N=15时输出电压和电流波形图

将示波器中选择savedatatoworkspace。

双击powergui，在FFTAnalysis中设置相关参数后可以看到如下图所示的谐波分析。

由图3-4可以看到，输出电压的基波为50hz，并且只在开关频率和开关频率倍数的附近有谐波产生，并且对称分布。

这和理论一致，证明了式子（2-5）的正确性。

另一方面，输出电压的THD（总谐波系数TotalHarmonicDistortionFactor）=152.02%还是比较大，在15倍基频出比基波幅值还要大，这显然是不太理想的。

但是好的一面是，经过spwm调制后，输出电压不再含有低次谐波，容易采用一些低通滤波器将高频谐波滤除。

图4-4N=15时输出电压FFT分析

（2）提高载波比N=50，输出电压电流和输入电流波形如图4-5所示。

从图中可以看出，输出电压的频率明显增加，电流的波形波动幅度小很多。

输出电压的基波幅值为310.4V，基本保持不变，而输出电流的波形正弦度明显更好。

图4-5N=50时输出电压电流波形

如图4-6，从谐波分析可以看出，输出电压的THD指标并没有明显改善，但是最低次谐波为48阶，使得输出谐波更容易滤除了。

图4-6N=50时输出电压FFT分析

这样看来，提高载波比，整体上改善了输出电压的质量，负载电流的正弦度也更好，但必须注意的是，提高载波比意味着提高了开关频率，过高的开关频率会导致系统的开关损耗增加，必须采用软开关技术来加以限制。

（3）改变调制深度，使m=1.5，仿真波形如图4-7所示。

由图可以分析当调制深度大于1，即过调制时，输出电压会出现很长一段时间维持某一种电平的状态，这是由于调制波幅值超狗三角波峰值时，会在多个载波周期内和三角波没有交点，所以开关状态不改变，使得开关频率急剧下降，脉宽不在按正弦规律变化。

图4-7m=1.5时输出电压电流波形

分析输出电压的谐波，如图4-8所示，输出电压的THD减小了，但是输出电压中已经出现了低次谐波，如3次谐波，并且幅值为15%左右，这样低次谐波是不太容易滤除的，所以过调制的时候降低了输出电压的质量。

另外，从输出电压的基波幅值U1m=468.2V，可以看出，在调制深度m>1后，输出电压不在随m线性变化。

图4-8m=1.5时输出电压的FFT分析

（5）将m增大到10，仿真结果如图4-9所示。

图4-9m=10时输出电压电流的波形

其输出波形已经和方波逆变电路非常相似了。

图4-10m=10时输出电压的FFT分析

如图4-10，从谐波上可以看出，输出电压的出现大量低次谐波，且按比例衰减。

另外值得注意的是，输出电压基波幅值U1m=508=1.27*400，这说明当调制深度增加的时候，输出电压不会无限增加下去，而是趋近于方波逆的输出值。

4.1.3单极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真模型

单极性SPWM波形产生电路如图4-11所示。

图4-11单极性SPWM波形产生电路

4.1.4单极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真结果分析

单极性SPWM方式下全桥逆变电路的仿真波形如图4-12所示

图4-12单极性SPWM全桥逆变输出电压电流波形

输出电压为单极性PWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。

图4-13单极性SPWM全桥逆变输出电压FFT分析

对输出电压进行FFT分析，如图4-13所示，谐波分布情况较双极性有明显不同，不再含有开关频率次谐波，即50次谐波，并且THD降低到79.76%左右。

可见单极性调制时的谐波性能要优于双极性调制。

4.2半桥式逆变电路的仿真

4.2.1单相半桥逆变电路的仿真模型

主电路采用电压型单相半桥逆变电路，其中取分压电容C0=C1=1T。

因为模拟的系统稳态运行时的情况，所以设置了电容的初始电压为Ud/2,，以避免仿真过程中的电容的长时间充电现象。

并且为了避免电容直接和电源并联产生极大地过充电流导致仿真报错，在主电路电源侧串联小的电阻R=0.1ohm。

另外因为半桥式逆变电路的特点是输出端的电压波形幅值仅为直流母线电压值得一半，所以设置Ud=800V。

主电路其他参数设置同全桥式相同。

如图4-14所示。

图4-14半桥式逆变电路仿真模型

4.2.2单相半桥逆变电路的仿真结果与分析

单相半桥逆变电路仿真结果如图4-15、图4-16所示。

图4-15半桥式逆变电路输出电压电流波形

图4-16半桥式逆变电路输出电压FFT分析

从仿真结果上分析，半桥式逆变电路的输出电压的波形、谐波分布和THD等指标和全桥式基本相同。

4.3推挽式逆变电路的仿真

4.3.1单相推挽式逆变电路的仿真模型

主电路采用了线性变压器，变比为1:

1:

1，两个IGBT/DIODE并联连接的方式构成了推挽式逆变电路，负载参数和全桥电路一样，如图4-17所示。

图4-17推挽式逆变电路的模型

4.3.2单相推挽式逆变电路的仿真结果与分析

单相推挽式逆变电路的仿真结果如图4-18所示

图4-18单相推挽式逆变电路输出电压电流波形

从结果上看，输出电压稍有毛刺，但输出基波幅值仍为311V左右，这可能与变压器的参数设置有关。

4.4比较结论

（1）全桥式和推挽式逆变电路输出脉冲电压的幅值均为直流侧电压，而半桥式逆变的电路输出电压的幅值仅为直流侧电压的一半，即半桥式逆变电路的电压利用率低。

（2）采用双极性SPWM调制时，在3种拓扑结构中，输出电压都是两电平的等幅不等宽的脉冲电压，其等效的正弦电压的谐波都是在载波频率和载波频率整数倍附近，其输出电压的基波幅值，直流侧电压与调制深度之间的关系都不变。

只有在采用单极性SPWM调制的时候，全桥逆变的输出电压的谐波质量更好一些。

这表明逆变电路的输出电压的波形，输出电压的谐波分布和THD等指标和逆变电路的控制方式有关，和逆变电路的拓扑结构关系不大。

5．总结体会

在这次课程设计中，我加深了对逆变器拓扑结构认识，进一步了解了SPWM调制方式对逆变结果的影响。

在这次课程设计中，我有以下收获：

第一，对MATLAB软件中SimPowerSystems模型库进行了初步了解，该模型库是进行电力电子系统仿真的理想工具。

SimPowerSystems模型可与其他Simulink模块相连接，进行一体化的系统级动态分析。

在电力电子系统的仿真中，使用Simulink的模块组成控制电路，使用SimPowerSystem中的模块组成主电路和驱动电路，可以研究和观察在不同控制方案下系统的动态和稳态响应，为系统设计提供依据。

第二，加强自己对理论知识的掌握程度。

在本次课程设计中，我花费了相当长的时间仿真单极性SPWM调制下的半桥式逆变电路，由于自己刚开始并不清楚单极性SPWM是不能应用于半桥逆变的，所以自己对输出结果并不了解，当看到输出电压波形在某些时刻出现频繁震荡时，以为是调制信号出现问题，或是参数设置的不正确，调试了很久都没有解决。

但是后来在网络论坛上找到答案：

半桥逆变本身不适合单极性SPWM调制，在输出电流过零时，由于另一桥臂的全控器件没有导通，负载的一侧相当于没有接上电源，输出电压会出现震荡。

通过这次课程设计，我明白了理论和实践的重要性，如果理论掌握不牢，在实践中出现问题时就无从下手分析，如果理论知识理解的含糊，那么在实践过程中，就容易犯一些错误。

今后，在多实践的基础上，也还要注重理论知识的温习和总结。

最后，我要谢谢老师的细心教导，让我顺利的完成这次课设，收益良多。

参考文献

【1】陈坚康勇.电力电子学-电力电子变换和控制技术.北京：

高等教育出版社.2011

【2】林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：

中国电力出版社.2008

【3】王兆安,黄俊.电力电子技术[M]（第四版）北京：

机械工业出版社，2000

【4】杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.北京：

清华大学出版社，2006

【5】林渭勋.电力电子技术基础[M]北京：

机械工业出版社,1990