黃捷音，李光升，謝永成，陳瓏蘢

（1.北京軍代局駐四四七廠軍代室，內(nèi)蒙古包頭014033；2.裝甲兵工程學(xué)院，北京100072）

1 電壓型單相全橋逆變電路概述

圖1為電壓型單相全橋逆變電路，該電路有4個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT和二極管并聯(lián)而成［1］，由脈沖發(fā)生器控制IGBT的開通與關(guān)斷，當(dāng)IGBT1和IGBT4導(dǎo)通，IGBT2和IGBT3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電壓為正；當(dāng)IGBT2和IGBT3導(dǎo)通，IGBT1和IGBT4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電壓為負(fù)。這樣通過(guò)兩組IGBT的交替導(dǎo)通關(guān)斷，負(fù)載兩端的電壓方向不斷發(fā)生改變，就實(shí)現(xiàn)了直流電到交流電的轉(zhuǎn)變。

圖1 單相全橋逆變電路

其波形如圖2所示，前4個(gè)波形為1～4號(hào)脈沖發(fā)生器的電壓信號(hào)，第5個(gè)波形為輸出電壓，可以清晰地觀察到電壓規(guī)律性的正負(fù)變化，而且導(dǎo)通占空比固定，負(fù)載兩端電壓幅值Um=Ud，由于占空比沒有改變，也就使得電流信號(hào)不是規(guī)則的正弦波信號(hào)。所以，要使輸出波形是規(guī)則的正弦波，就要改變控制信號(hào)的占空比，用SPWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT。

圖2 輸出波形

2 SPWM基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)［2］。PWM控制技術(shù)控制簡(jiǎn)單、靈活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，而在實(shí)際中應(yīng)用最多的是SPWM。由于SPWM波形的占空比規(guī)律性改變，因此用它來(lái)控制逆變電路，能夠輸出規(guī)則的正弦波，實(shí)現(xiàn)本文的研究目的。

全橋逆變器的控制脈沖按SPWM調(diào)制方式可分為雙極性和單極性兩種調(diào)制方式，用比較器實(shí)現(xiàn)SPWM是應(yīng)用了雙極性調(diào)制方式。在模擬電路中，通常用比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM，這種方法操作方便，原理簡(jiǎn)單，容易理解。本文在逆變電路的仿真過(guò)程中，就應(yīng)用了比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM。如圖3所示，采用的調(diào)制波為正弦波，頻率fs=50 Hz，幅值Usm=1 V；載波為等腰三角波，頻率fc=750 Hz，幅值Ucm=1 V。因此載波比p=fc／fs=15，調(diào)制深度：m=Usm／Ucm=1。載波頻率遠(yuǎn)高于輸出電壓基頻且調(diào)制深度m≤1時(shí)，可知基波電壓Ud和幅值U1m滿足如下關(guān)系：U1m=mUd。這是SPWM的一個(gè)重要關(guān)系，它表明在m≤1和fc＞＞fs的條件下，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值隨調(diào)制深度m線性變化。因此，通過(guò)控制調(diào)制信號(hào)，可方便地調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。觀察輸出的波形，可以清楚地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通占空比先增大，后減小，周期性變化，這樣，與占空比不發(fā)生改變的單位脈沖相比，SPWM控制就更優(yōu)越，根據(jù)面積等效原理，SPWM波形能很好地起到模擬正弦波的效果。

圖3 比較器產(chǎn)生SPWM波形

3 逆變器的Matlab/Simulink建模與仿真

圖4為仿真電路，各模塊名稱及功能如下：

①為電路主體，設(shè)置離散采樣時(shí)間T=1e-5s，直流電源E=300 V；

③為負(fù)載，R=10Ω，負(fù)載支路為輸出電流，兩端為輸出電壓；

④為示波器，顯示要檢測(cè)的波形；

⑤為控制電路，設(shè)置初始載波與調(diào)制波，用比較器將正弦波和等腰三角波比較，產(chǎn)生SPWM信號(hào)，正弦波幅值為1 V，頻率為50 Hz，等腰三角波幅值為1 V，頻率為7 500 Hz，反饋電路，比例系數(shù)Kp=0.008，積分系數(shù)Ki=0.4，設(shè)置期望電壓為150 V。

4 仿真結(jié)果分析

輸出波形如圖5所示，經(jīng)局部放大后如圖6。

圖4 小功率單相逆變器仿真模型

圖5 輸出波形

圖6 輸出波形(放大)

波形1為逆變后的電壓，用SPWM控制IGBT產(chǎn)生的波形，占空比發(fā)生了明顯的改變，等效正弦波；波形2為輸出電流，波形3為輸出電壓，從圖5中容易發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的調(diào)整之后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，并且輸出電壓幅值穩(wěn)定在213 V左右，即有效值約為150 V，與已設(shè)定的常數(shù)相近，說(shuō)明系統(tǒng)正常。改變常數(shù)，設(shè)置為100 V，則系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，電壓幅值穩(wěn)定在143 V左右，有效值為101 V，與設(shè)定的常數(shù)相近，系統(tǒng)正常，說(shuō)明電路的負(fù)反饋可靠性較好。波形4為SPWM波，與前文講述的SPWM波相似，占空比改變，但調(diào)制深度不同。對(duì)輸出電壓進(jìn)行傅里葉分析，選擇0.1 s為開始時(shí)間，對(duì)5個(gè)周期進(jìn)行采樣分析，最大頻率為10 000 Hz，由圖7可知，載波頻率對(duì)系統(tǒng)影響非常小，也就是說(shuō)L和C的取值適當(dāng)，濾波效果很好。

如果設(shè)置期望的輸出電壓有效值為100 V，那么輸出波形如圖8，取4個(gè)周期進(jìn)行觀察，對(duì)輸出電壓進(jìn)行縱向放大，可以發(fā)現(xiàn)電壓峰值約為142 V，有效值為100 V，與設(shè)置的數(shù)值一致。由此得出結(jié)論：當(dāng)常數(shù)改變時(shí)，輸出電壓有效值能夠隨之改變，與常數(shù)近似相等，說(shuō)明系統(tǒng)在產(chǎn)生擾動(dòng)后能夠進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 輸出電壓的傅里葉分析

圖8 設(shè)置100 V時(shí)輸出波形

為檢驗(yàn)系統(tǒng)抗干擾性能，在電路中加一個(gè)斷路器，可變電阻為5Ω，如圖9所示。這樣，一開始電路負(fù)載為10Ω，0.2 s后，開關(guān)斷開，電路負(fù)載為15Ω。

由圖10可以看出，輸出電壓在0.2 s有明顯的波動(dòng)，但經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)整之后，輸出電壓的峰值穩(wěn)定在202 V～220 V之間，取0.4 s～0.8 s的輸出峰值平均值為211 V，得到輸出電壓有效值為149 V，與預(yù)先設(shè)置的數(shù)值150 V非常接近。因此當(dāng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，返回穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證了逆變系統(tǒng)的可靠性。

圖9 增加斷路器的仿真電路

圖10 增加斷路器的仿真波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了電壓型單相全橋逆變電路的電路模型及工作原理，分析了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的原理和實(shí)現(xiàn)方法，應(yīng)用Matlab／Simulink建立了電路仿真模型，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)輸出波形的分析，驗(yàn)證了控制方案的可行性，具有一定實(shí)際意義。

［1］雷 博，肖國(guó)春，吳旋律.一種數(shù)字控制單相全橋逆變電路運(yùn)動(dòng)行為分析［J］.物理學(xué)報(bào)，2012，61（9）：1-11.

［2］楊靜偉，盧 剛，李聲晉，張玉峰，周 勇.一種基于SPWM控制的逆變器設(shè)計(jì)與仿真［J］.微特電機(jī)，2012，40（9）：63-65.