单相SPWM逆变电路Matlab/Simulink仿真研究

巩瑞春，米红波

（包头师范学院 信息科学与技术学院，内蒙古 包头 014030）

1 SPWM逆变电路介绍

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形。SPWM脉冲的宽度按照正弦规律变化而变化，也就是正弦波逆变器PWM波形，即SPWM波形控制逆变电路中器件的开关装置，使其输出电压的脉冲电压面积与所对应输出的正弦波在相应区间的面积是相等的，通过改变调制信号的频率和幅度，从而控制逆变电路各器件的开关通断[1-2]。

如图1为单相桥式SPWM逆变电路，直流侧为电压源，共四个桥臂，每个桥臂都是IGBT反并联二极管，二极管起反馈无功能量作用。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，输出四路驱动信号控制四个桥臂的开通和关断，负载为阻感性负载[3-4]。

2 单相SPWM逆变电路Matlab/Simulink仿真（见图2）

从外形上看，单相全桥逆变电路的结构都是一致的，所不同的是控制方法。控制方法不同，输出电压波形、输出电流波形就会千差万别，频谱图也会异彩纷呈。本电路的设计主要在SPWM信号发生器的设计上，打开SPWMgenerator模块，从图3中可以看出来，控制电路结构比较简单，Sine Wave为调制信号，设计调制信号频率为fr=50 Hz，Triangle为三角波载波，设计其频率为fc=7 500 Hz，载波比为0.8[5-6]。

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的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平，在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

如图4所示为双极性SPWM控制方式仿真波形，从上到下的波形分别为调制波和载波比较图，输出电压波形图以及输出电流波形图。最上图中正弦波为调制信号ur，三角波为载波信号uc。当ur>uc时，桥臂1和桥臂4导通，桥臂2和桥臂3关断，根据图1，实际电流方向和参考方向相同时，V1和V4导通，实际电流方向和参考方向相反时，VD1和VD4导通，uo=Ud；当ur

谐波含量无法从波形图中读出，可采用Simulink里的频谱分析工具对谐波含量进行检测，打开Simulink里的Powergui工具，双击FFT Analysis，可看到如图5，是对以上图4中SPWM逆变电路输出电压波形的频谱分析结果。

从图5中可以清楚地看出，横坐标为频率，频谱分析图中设基波频率为50 Hz，纵坐标为各谐波含量相对于基波含量的百分比，比如频率为850 Hz显示为30，即850 Hz的谐波含量为基波含量的30%。SPWM波中不含有低次谐波，只含有频率为fc=750 Hz及其附近的谐波，以及2fc=1 500 Hz、3fc=2 250 Hz等及其附近的谐波。幅值最高影响最大的是频率为fc=750 Hz的谐波分量，不同的调制波频率、载波频率以及调制比就会出现不同的频谱图[9]。

3 结论

1）双极性SPWM逆变电路可以使输出电压、输出电流接近正弦波，但也会产生许多和载波相关的谐波分量，这些谐波分量的频率和幅值是衡量SPWM逆变电路的重要指标。

2）此设计型仿真实验电路虽然简单，但是用MATLAB软件可以有多种方法来实现，可以根据实际情况的需要进行参数优化，改变相关参数，同时观测频谱图的变化，可设计最优的控制方案。