基于PWM的逆变电路分析

逆变器的仿真与特性研究

摘要：现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM 型逆变电路。为了对PWM 型逆变电路进行研究，首先建立了逆变器单极性控制所需的电路模型，采用IGBT 作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM 控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB 中的SIMULINK 对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB 提供的powergui 模块对仿真波形进行了FFT 分析（谐波分析）. 关键词：SPWM ；PWM ；逆变器；谐波；FFT 分析

1 引言

随着地球非可再生资源的枯竭日益以及人们对电力的日益依赖,逆变器在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色.近年来,PWM 型逆变器的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，并显示出其可以同时实现变频变压反抑制谐波的优越性,因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

2 PWM 控制的基本原理

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的波形。PWM 控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：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。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N 等分，就可以把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图b 所示的脉冲序列，这就是PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形，也称为SPWM 波形。SPWM 波形如下图所示：

图（一）:单极性PWM 控制方式波形

上图波形称为单极性SPWM 波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，即双极性SPWM 波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

O U d -U

图（二）:双极性PWM 控制方式波形

3 PWM 逆变电路及其控制方法

PWM 逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM 波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM 波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM 波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式。图（三）是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。

图（三）：单相桥式PWM 逆变电路

O

t

U d

- U d

单极性PWM控制方式：在u r和u c的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当u r>u c时使V4通，V3断，u o=U d。当u ru c时使V3断，V4通，u o=0 。这样就得到图一所示的单极性的SPWM波形。

4电路仿真及分析

4.1单极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。

图（四）：单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路

在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的单极性SPWM触发脉冲波形。

图（五）：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形（单极性SPWM波形）

4.2 双极性SPWM触发脉冲波形的产生：仿真图如下所示。

图（六）：双极性PWM逆变器触发脉冲发生电路

同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2∏f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，便可生成频率为fc的三角载波。将调制波和载波通过一些运算与比较，即可得出下图所示的双极性SPWM触发脉冲波形。

图（七）：单相桥式PWM逆变器V1触发脉冲波形（双极性SPWM波形）

4.3单极性SPWM控制方式的单相桥式逆变电路仿真及分析

4.3.1单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路

主电路图如下所示：

图（八）：单相桥式PWM逆变器主电路图

将调制深度m设置为0.5，输出基波频率设为50Hz，载波频率设为基波的15倍，即750Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-005s，运行后可得仿真结果，输出交流电压，交流电流和直流电流如下图所示：

图（九）：单极性SPWM方式下的逆变电路输出波形

对上图中的输出电压uo进行FFT分析，得如下分析结果：

图（十）：单极性控制方式下输出电压的FFT分析

由FFT分析可知：在m=0.5,fc=750Hz,fr=50Hz，即N=15时，输出电压的基波电压的幅值为U1m=150.9V，基本满足理论上的U1m=m*Ud(即300*0.5=150)。谐波分布中最高的为29次和31次谐波，分别为基波的71.75%和72.36%，考虑最高频率为4500Hz时的THD达到106.50%。

对输出电流io进行FFT分析，得如下分析结果：