MATLAB在單相橋式PWM逆變電路教學中的應用

謝積錦 劉桂英 周建陽 李紅星

摘要：根據電力電子技術課程特點和教學現狀，將Matlab軟件引進電力電子技術課堂進行仿真教學，以單相橋式PWM逆變電路為例，搭建了逆變器仿真模型，詳細介紹了PWM控制信號仿真原理和特性、開關管工作情況以及負載電壓電流仿真波形分析，結果表明，應用Matlab仿真軟件，能使分析過程直觀化、理論結果可視化，對豐富電力電子技術教學手段、提高教學質量起到有效的促進作用。

關鍵詞：逆變電路；PWM控制；MATLAB；仿真分析

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0269-02

一、引言

電力電子技術是一門理論和實踐結合較緊密的學科，也是實踐性很強的應用技術，在教學過程中常需借助大量的波形來分析各種電路的工作狀態、能量轉換過程[1-3]。波形分析法是電力電子技術教學常用的方法，在課堂教學活動組織過程中，有大量的波形分析內容，學生常感到教學內容抽象、枯燥，而且只靠圖形說明缺乏真實性，學習效果不理想。因此，借助MATLAB仿真軟件對電力電子技術中一些較難理解的電路和原理進行建模，通過仿真模型向學生介紹電路的工作原理，觀察仿真波形對控制原理進行說明，這對豐富教學手段、提高教學質量、增強辦學資源是一個有益的教學方法。

逆變電路是電力電子技術的四大變換器之一，單相橋式逆變電路是該課程中非常重要的內容，而該電路的分析、理解比較困難，如果不借助仿真手段，很難得到其復雜的動態變化波形。利用MATLAB仿真軟件對單相橋式PWM逆變電路進行仿真建模，分析由PWM控制的單相橋式逆變電路的工作狀態及相關關鍵波形，可更好地理解和掌握該電路的知識點。

二、單相橋式逆變電路仿真模型

單相橋式PWM逆變電路仿真模型由主電路、控制電路和測量電路等3部分組成，其中主電路由直流電源Ed、2對功率開關器件和與其反并聯的二極管、以及阻感負載RL等組成；控制電路是Gate Drive子模塊；測量電路是Measurements子模塊，如圖1所示。

三、控制信號仿真分析

PWM控制信號由一個正弦調制波與高頻三角載波進行比較得到一路控制信號，再將這路信號反相產生另一路控制信號，這兩路信號互補，分別控制如圖1所示的上下橋臂功率管的導通與關斷，所生成的輸出信號按序號連接到主電路相應序號的功率開關器件上，其仿真模型和仿真輸出控制信號如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3仿真教學中，學生可以掌握如下幾點：（1）如何設置正弦波（50Hz、7V）和雙極性三角波（5kHz、10V）；（2）了解正弦波和三角波的頻率和幅值要求，理解PWM調制原理、載波比和調制比物理意義，以及PWM波形特征；（3）通過示波器局部放大功能認識互補信號的特征，掌握上下橋臂的功率開關管控制信號的要求。

四、工作原理仿真分析

為了理解單相橋式PWM逆變電路的工作原理，可以通過分析Measurements子模塊測量電路的示波器波形來掌握，如圖4所示。

1.功率開關管的工作情況。圖1所示的4個功率開關管VT1～VT4采用SimPowerSystems庫中的Mosfet全控型開關管，參數按系統默認設置。由于VT1與VT3、VT2與VT4工作情況相同，故只要測量VT1和VT2開關管電流和電壓波形，如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6中，學生可以了解器件在各階段的工作情況：（1）VT1與VT2工作在互補狀態；（2）開關管在控制信號為1時開通，為0時關斷，是全控型器件；（3）開關管是一理想開關管：開通時管子電壓很小近似為零，管子電流由外電路決定；關斷時電流為零，電壓為電源電壓；（4）補充了教材上沒有的器件電流電壓波形圖，豐富了分析內容。

2.輸出電壓和電流波形分析。在圖1中，阻感負載參數為R=10Ω、L=0.01mH，輸出電壓和電流仿真波形如圖7所示。

從圖7可以看出：（1）輸出電壓是雙極性PWM波形，幅值為電源電壓（100V）；（2）由于是阻感負載，所以輸出電流是連續平滑的且更接近正弦波，有利于理解電感濾波作用；（3）彌補了教材上沒有輸出電流波形圖的不足。

綜上所述，利用Matlab仿真軟件從設計電路到運行及數據分析等大部分教學內容都可以在課堂上解決[4]，無需附加額外條件，與實際電路運行相同，學生可以全方位地理解教學內容，教學效果好。運用仿真軟件進行教學，學生對運動的版面將會興趣十足，對教師講解的課程內容非常直觀地理解，并且可以提出更換電路參數，由學生進行仿真分析，增加教學的互動性和學生學習的積極性[5]。

五、結論

由于電力電子技術所涉及的都是功率器件，硬件實驗費時、費用高且危險性大，非常有必要在電力電子技術課程的教學中引用計算機仿真技術，不僅大大節省課時，而且使分析過程直觀化，理論結果可視化，既能使學生更好地掌握電力電子技術的理論知識，又可懂得如何搭建與調試電路，使理論與實踐緊密結合，調動學生的學習積極性和學習興趣，提高學生分析、理解問題的能力，是一種有益的探索。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術（第5版）[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]文亞鳳，劉向軍.EDA仿真技術在電力電子技術實踐教學中的應用[J].實驗技術與管理，2006，23（12）：73-75.

[3]王紅梅，黃華飛，唐春霞.Saber仿真在電力電子技術教學中的應用[J].裝備制造技術，2007，25（1）：80-82.

[4]丘東元，眭永明，王學梅，張波.基于Saber的“電力電子技術”仿真教學研究[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：81-84.

[5]蔣偉，莫岳平.“電力電子技術”課程教學模式研究[J].電氣電子教學學報，2013，35（1）：44-46.