基于SPWM的小功率單相逆變器仿真研究

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，內蒙古包頭014033；2.裝甲兵工程學院，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個橋臂，每個橋臂由IGBT和二極管并聯而成［1］，由脈沖發生器控制IGBT的開通與關斷，當IGBT1和IGBT4導通，IGBT2和IGBT3關斷時，負載電壓為正；當IGBT2和IGBT3導通，IGBT1和IGBT4關斷時，負載電壓為負。這樣通過兩組IGBT的交替導通關斷，負載兩端的電壓方向不斷發生改變，就實現了直流電到交流電的轉變。

圖1 單相全橋逆變電路

其波形如圖2所示，前4個波形為1～4號脈沖發生器的電壓信號，第5個波形為輸出電壓，可以清晰地觀察到電壓規律性的正負變化，而且導通占空比固定，負載兩端電壓幅值Um=Ud，由于占空比沒有改變，也就使得電流信號不是規則的正弦波信號。所以，要使輸出波形是規則的正弦波，就要改變控制信號的占空比，用SPWM波來驅動IGBT。

圖2 輸出波形

2 SPWM基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術［2］。PWM控制技術控制簡單、靈活，動態響應好，成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，而在實際中應用最多的是SPWM。由于SPWM波形的占空比規律性改變，因此用它來控制逆變電路，能夠輸出規則的正弦波，實現本文的研究目的。

全橋逆變器的控制脈沖按SPWM調制方式可分為雙極性和單極性兩種調制方式，用比較器實現SPWM是應用了雙極性調制方式。在模擬電路中，通常用比較器來實現SPWM，這種方法操作方便，原理簡單，容易理解。本文在逆變電路的仿真過程中，就應用了比較器來實現SPWM。如圖3所示，采用的調制波為正弦波，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，調制深度：m=Usm／Ucm=1。載波頻率遠高于輸出電壓基頻且調制深度m≤1時，可知基波電壓Ud和幅值U1m滿足如下關系：U1m=mUd。這是SPWM的一個重要關系，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制深度m線性變化。因此，通過控制調制信號，可方便地調節逆變器輸出電壓的頻率和幅值。觀察輸出的波形，可以清楚地發現導通占空比先增大，后減小，周期性變化，這樣，與占空比不發生改變的單位脈沖相比，SPWM控制就更優越，根據面積等效原理，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，設置離散采樣時間T=1e-5s，直流電源E=300 V；

③為負載，R=10Ω，負載支路為輸出電流，兩端為輸出電壓；

④為示波器，顯示要檢測的波形；

⑤為控制電路，設置初始載波與調制波，用比較器將正弦波和等腰三角波比較，產生SPWM信號，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Kp=0.008，積分系數Ki=0.4，設置期望電壓為150 V。

4 仿真結果分析

輸出波形如圖5所示，經局部放大后如圖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產生的波形，占空比發生了明顯的改變，等效正弦波；波形2為輸出電流，波形3為輸出電壓，從圖5中容易發現，在經過3個周期的調整之后，系統趨于穩定，并且輸出電壓幅值穩定在213 V左右，即有效值約為150 V，與已設定的常數相近，說明系統正常。改變常數，設置為100 V，則系統達到穩定后，電壓幅值穩定在143 V左右，有效值為101 V，與設定的常數相近，系統正常，說明電路的負反饋可靠性較好。波形4為SPWM波，與前文講述的SPWM波相似，占空比改變，但調制深度不同。對輸出電壓進行傅里葉分析，選擇0.1 s為開始時間，對5個周期進行采樣分析，最大頻率為10 000 Hz，由圖7可知，載波頻率對系統影響非常小，也就是說L和C的取值適當，濾波效果很好。

如果設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個周期進行觀察，對輸出電壓進行縱向放大，可以發現電壓峰值約為142 V，有效值為100 V，與設置的數值一致。由此得出結論：當常數改變時，輸出電壓有效值能夠隨之改變，與常數近似相等，說明系統在產生擾動后能夠進行反饋調節，使系統重新達到穩定狀態。

圖7 輸出電壓的傅里葉分析

圖8 設置100 V時輸出波形

為檢驗系統抗干擾性能，在電路中加一個斷路器，可變電阻為5Ω，如圖9所示。這樣，一開始電路負載為10Ω，0.2 s后，開關斷開，電路負載為15Ω。

由圖10可以看出，輸出電壓在0.2 s有明顯的波動，但經過系統調整之后，輸出電壓的峰值穩定在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，與預先設置的數值150 V非常接近。因此當產生擾動時，系統能夠通過控制系統進行自我調節，返回穩定狀態，驗證了逆變系統的可靠性。

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 結束語

本文詳細介紹了電壓型單相全橋逆變電路的電路模型及工作原理，分析了正弦脈寬調制技術（SPWM）的原理和實現方法，應用Matlab／Simulink建立了電路仿真模型，通過對實驗輸出波形的分析，驗證了控制方案的可行性，具有一定實際意義。

［1］雷 博，肖國春，吳旋律.一種數字控制單相全橋逆變電路運動行為分析［J］.物理學報，2012，61（9）：1-11.

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