單相SPWM逆變電路Matlab/Simulink仿真研究

鞏瑞春，米紅波

（包頭師范學院 信息科學與技術學院，內蒙古 包頭 014030）

1 SPWM逆變電路介紹

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制來等效地獲得所需要波形。SPWM脈沖的寬度按照正弦規律變化而變化，也就是正弦波逆變器PWM波形，即SPWM波形控制逆變電路中器件的開關裝置，使其輸出電壓的脈沖電壓面積與所對應輸出的正弦波在相應區間的面積是相等的，通過改變調制信號的頻率和幅度，從而控制逆變電路各器件的開關通斷[1-2]。

如圖1為單相橋式SPWM逆變電路，直流側為電壓源，共四個橋臂，每個橋臂都是IGBT反并聯二極管，二極管起反饋無功能量作用。在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關器件的通斷，輸出四路驅動信號控制四個橋臂的開通和關斷，負載為阻感性負載[3-4]。

2 單相SPWM逆變電路Matlab/Simulink仿真（見圖2）

從外形上看，單相全橋逆變電路的結構都是一致的，所不同的是控制方法。控制方法不同，輸出電壓波形、輸出電流波形就會千差萬別，頻譜圖也會異彩紛呈。本電路的設計主要在SPWM信號發生器的設計上，打開SPWMgenerator模塊，從圖3中可以看出來，控制電路結構比較簡單，Sine Wave為調制信號，設計調制信號頻率為fr=50 Hz，Triangle為三角波載波，設計其頻率為fc=7 500 Hz，載波比為0.8[5-6]。

在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關器件的通斷，在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得的PWM波也是有正有負，在ur的一個周期內，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，在ur的正負半周，對各開關器件的控制規律相同。

如圖4所示為雙極性SPWM控制方式仿真波形，從上到下的波形分別為調制波和載波比較圖，輸出電壓波形圖以及輸出電流波形圖。最上圖中正弦波為調制信號ur，三角波為載波信號uc。當ur>uc時，橋臂1和橋臂4導通，橋臂2和橋臂3關斷，根據圖1，實際電流方向和參考方向相同時，V1和V4導通，實際電流方向和參考方向相反時，VD1和VD4導通，uo=Ud；當ur

諧波含量無法從波形圖中讀出，可采用Simulink里的頻譜分析工具對諧波含量進行檢測，打開Simulink里的Powergui工具，雙擊FFT Analysis，可看到如圖5，是對以上圖4中SPWM逆變電路輸出電壓波形的頻譜分析結果。

從圖5中可以清楚地看出，橫坐標為頻率，頻譜分析圖中設基波頻率為50 Hz，縱坐標為各諧波含量相對于基波含量的百分比，比如頻率為850 Hz顯示為30，即850 Hz的諧波含量為基波含量的30%。SPWM波中不含有低次諧波，只含有頻率為fc=750 Hz及其附近的諧波，以及2fc=1 500 Hz、3fc=2 250 Hz等及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是頻率為fc=750 Hz的諧波分量，不同的調制波頻率、載波頻率以及調制比就會出現不同的頻譜圖[9]。

3 結論

1）雙極性SPWM逆變電路可以使輸出電壓、輸出電流接近正弦波，但也會產生許多和載波相關的諧波分量，這些諧波分量的頻率和幅值是衡量SPWM逆變電路的重要指標。

2）此設計型仿真實驗電路雖然簡單，但是用MATLAB軟件可以有多種方法來實現，可以根據實際情況的需要進行參數優化，改變相關參數，同時觀測頻譜圖的變化，可設計最優的控制方案。