基于MATLAB的单相PWM逆变电路的仿真研究

温州医学院 朱 南 张理兵 叶卫川 徐俊佩

1.引言

在电力电子技术中，把直流电变为交流电称为逆变。逆变电路应用非常广泛，如在直流电源向交流负载供电时需要逆变电路；交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分也是逆变电路。这里主要讨论单极性PWM（脉冲宽度调制）控制方式的单相桥式逆变电路，并应用Matlab的可视化仿真工具Simulink，对该电路进行建模，并对不同调制深度、载波频率情况下对输出电压、负载上电流进行了仿真分析，既加深了PWM逆变电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。

本文中仿真软件采用MATALAB R2007a版本（MATLAB 7.4、Simulink 6.6、SimPowerSystems 4.4版本）。

2.电路构成及工作特点

采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路如图1所示。设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，调制信号ur为正弦波。PWM控制方式采用单极性控制方式，在ur的半个周期内载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得的PWM波也只在单个极性范围变化。单极性PWM控制方式时的波形具体如图2所示。在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur＞uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud；当ur＜uc时使V4关断，V3导通，uo=0。在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。当ur＜uc时使V3导通，V4关断，uo=-Ud；当ur＞uc时使V3关断，V4导通，uo=0，如图1、2所示。

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uc频率远高于输出电压uo基频且调制深度（正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比）m≤1时，可知输出基波电压uof的幅值U1m= m Ud。

3.建模及仿真

3.1 建模

根据单极性PWM方式下的单相全桥逆变电路的原理，建立仿真模型应包括主电路的仿真模型和单极性SPWM控制信号的发生两部分。

图1 单相桥式PWM逆变电路

图2 单极性PWM控制方式波形

单极性SPWM信号的Simulink产生图的仿真模型如图3所示。由“Clock”模块提供仿真时间t，乘以2πf后再通过“sin”模块即为sinωt，乘以调制深度m后可得所需的正弦调制信号；三角载波由“Repeating Sequence”模块产生，设置“Time Values”为[0 1/fc/2 1/fc]，设置“Output Values”为[1 0 1]，便可产生频率为fc的正极性的三角载波；“Pulse Generator”模块设置“Amplitude”为2，“Period”为正弦调制信号周期1/f，该模块和常数1相减后，再与“Repeating Sequence”模块产生正极性的三角波相乘后得到单极性PWM控制方式下的载波，其在正弦调制信号的正半周为正极性的三角波，在调制信号负半周为负极性的三角波。调制波和载波通过“Relational Operator”模块进行比较后所得信号，再通过适当处理便可得两路开关信号；类似的也可比较方便的得到另外两路开关信号。

为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，可以对图3所示部分进行封装，使其成为一个便于调用的模块。用鼠标选中图中的所有部分，单击右键并选择“Create Subsystem”，则选中的部分全放入一个子系统模块，只保留了对外的输入输出接口。右键单击该模块，选择“Mask Subsystem”对其进行封装，设置该模块的m（0＜m＜=1）、f、fc三个参数。将单极性SPWM模块的输出连接到单相全桥模块门极输入，最终得到的仿真模型如图4所示。

图3 单极性SPWM信号的Simulink产生图

图4 单极性PWM方式下的单相全桥逆变电路仿真模型

图5 m=0.5时输出电压uO的波形图

图6 m=0.5时负载上电流iO的波形图

3.2 参数设置及仿真

“Universal Bridge”模块，在对话框中选择桥臂数为2，即可组成单相全桥电路，开关器件选带反并联二极管的IGBT；直流电压源模块设置为300V；“Series RLC Branch”模块去掉电容后将阻感负载分别设为1Ω和2mH；在串联RLC支路模块的对话框下方选中测量电压和电流，再利用“Multimeter”模块即可观察逆变器的输出电压、电流。通过串联电流表可观察直流电流的波形。“Powergui”模块设置为离散仿真模式，采样时间为1e-5s。仿真时间设为0.06s，选择ode45的仿真算法。

(1)调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基频的20倍，即1000Hz。运行后，可得输出电压、负载上电流的仿真波形分别如图5、6所示。

图7 m=0.5时输出电压谐波分析图

仿真后双击“powergui”，可对输出的交流电压和电流进行FFT分析，图7是对输出交流电压的谐波分析图，其基波幅值为149.8V，与理论值接近。最严重的19和21次谐波为基波的72%左右，值得考虑的最低次谐波为17次，幅值为基波的8.98%，最高分析频率为4kHz时的THD达到123.71%。由于感性负载的滤波作用，负载上交流电流的THD为9.94%。

(2)若调制深度改为1，其他量不变，将结果中相关参数与(1)进行对比分析。仿真后，可得此时输出电压、负载上电流的波形分别如图8、9所示。

图8所示的交流输出电压的中心部分明显加宽。FFT分析后得输出电压基波幅值增加为299.7V，与理论值接近。最严重的变为17和23次谐波为基波的21%左右，19和21次谐波为基波的18%左右。最低次谐波为15次，幅值为基波的3.5%，最高分析频率为4kHz时的THD减小为52.13%。负载上交流电流的THD也降低为3.97%。

(3)在(2)基础上，将载波频率提高到2000Hz。仿真后，可得此时输出电压、负载上电流的波形分别如图10、11所示。

此时输出电压的最低次谐波增加到35次。交流电流的THD只有1.97%，负载电流的正弦度更好。若进一步提高载波频率，则负载电流更加接近于正弦波。

在仿真分析过程中可以方便的修改调制深度、载波频率等参数，进行输出电压、输出电流的仿真分析，并对输出电压、负载上电流进行FFT分析，仿真结果与理论分析基本相同。避免了传统实验方法中器件接线复杂且参数不易改动的缺点，具有安全、简单、方便、直观的优点。

图8 m=1时输出电压uO的波形图

图9 m=1时负载上电流iO的波形图

图10 m=1，载波频率2000Hz时输出电压uO的波形图

图11 m=1，载波频率2000Hz时负载上电流iO的波形图

4.结语

通过仿真和分析，可知单相桥式单极性控制方式下PMM逆变电路得到的PWM波形只在单个极性范围变化。文中应用Matlab的可视化仿真工具Simulink对单相桥式单极性PWM逆变电路仿真结果进行了详细分析，验证了仿真结果的正确性。应用Matlab/Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况，适合电力电子技术的教学和研究工作。

[1]王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3]黄忠霖,黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社,2009.

[4]刘桂英,粟时平.“电力电子技术”的Matalab/Simulink教学仿真实践[J].电气电子教学学报,2011,33(1):87-89.