黄捷音，李光升，谢永成，陈珑茏

（1.北京军代局驻四四七厂军代室，内蒙古包头014033；2.装甲兵工程学院，北京100072）

1 电压型单相全桥逆变电路概述

图1为电压型单相全桥逆变电路，该电路有4个桥臂，每个桥臂由IGBT和二极管并联而成［1］，由脉冲发生器控制IGBT的开通与关断，当IGBT1和IGBT4导通，IGBT2和IGBT3关断时，负载电压为正；当IGBT2和IGBT3导通，IGBT1和IGBT4关断时，负载电压为负。这样通过两组IGBT的交替导通关断，负载两端的电压方向不断发生改变，就实现了直流电到交流电的转变。

图1 单相全桥逆变电路

其波形如图2所示，前4个波形为1～4号脉冲发生器的电压信号，第5个波形为输出电压，可以清晰地观察到电压规律性的正负变化，而且导通占空比固定，负载两端电压幅值Um=Ud，由于占空比没有改变，也就使得电流信号不是规则的正弦波信号。所以，要使输出波形是规则的正弦波，就要改变控制信号的占空比，用SPWM波来驱动IGBT。

图2 输出波形

2 SPWM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，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术［2］。PWM控制技术控制简单、灵活，动态响应好，成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，而在实际中应用最多的是SPWM。由于SPWM波形的占空比规律性改变，因此用它来控制逆变电路，能够输出规则的正弦波，实现本文的研究目的。

全桥逆变器的控制脉冲按SPWM调制方式可分为双极性和单极性两种调制方式，用比较器实现SPWM是应用了双极性调制方式。在模拟电路中，通常用比较器来实现SPWM，这种方法操作方便，原理简单，容易理解。本文在逆变电路的仿真过程中，就应用了比较器来实现SPWM。如图3所示，采用的调制波为正弦波，频率fs=50 Hz，幅值Usm=1 V；载波为等腰三角波，频率fc=750 Hz，幅值Ucm=1 V。因此载波比p=fc／fs=15，调制深度：m=Usm／Ucm=1。载波频率远高于输出电压基频且调制深度m≤1时，可知基波电压Ud和幅值U1m满足如下关系：U1m=mUd。这是SPWM的一个重要关系，它表明在m≤1和fc＞＞fs的条件下，SPWM逆变输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化。因此，通过控制调制信号，可方便地调节逆变器输出电压的频率和幅值。观察输出的波形，可以清楚地发现导通占空比先增大，后减小，周期性变化，这样，与占空比不发生改变的单位脉冲相比，SPWM控制就更优越，根据面积等效原理，SPWM波形能很好地起到模拟正弦波的效果。

图3 比较器产生SPWM波形

3 逆变器的Matlab/Simulink建模与仿真

图4为仿真电路，各模块名称及功能如下：

①为电路主体，设置离散采样时间T=1e-5s，直流电源E=300 V；

③为负载，R=10Ω，负载支路为输出电流，两端为输出电压；

④为示波器，显示要检测的波形；

⑤为控制电路，设置初始载波与调制波，用比较器将正弦波和等腰三角波比较，产生SPWM信号，正弦波幅值为1 V，频率为50 Hz，等腰三角波幅值为1 V，频率为7 500 Hz，反馈电路，比例系数Kp=0.008，积分系数Ki=0.4，设置期望电压为150 V。

4 仿真结果分析

输出波形如图5所示，经局部放大后如图6。

图4 小功率单相逆变器仿真模型

图5 输出波形

图6 输出波形(放大)

波形1为逆变后的电压，用SPWM控制IGBT产生的波形，占空比发生了明显的改变，等效正弦波；波形2为输出电流，波形3为输出电压，从图5中容易发现，在经过3个周期的调整之后，系统趋于稳定，并且输出电压幅值稳定在213 V左右，即有效值约为150 V，与已设定的常数相近，说明系统正常。改变常数，设置为100 V，则系统达到稳定后，电压幅值稳定在143 V左右，有效值为101 V，与设定的常数相近，系统正常，说明电路的负反馈可靠性较好。波形4为SPWM波，与前文讲述的SPWM波相似，占空比改变，但调制深度不同。对输出电压进行傅里叶分析，选择0.1 s为开始时间，对5个周期进行采样分析，最大频率为10 000 Hz，由图7可知，载波频率对系统影响非常小，也就是说L和C的取值适当，滤波效果很好。

如果设置期望的输出电压有效值为100 V，那么输出波形如图8，取4个周期进行观察，对输出电压进行纵向放大，可以发现电压峰值约为142 V，有效值为100 V，与设置的数值一致。由此得出结论：当常数改变时，输出电压有效值能够随之改变，与常数近似相等，说明系统在产生扰动后能够进行反馈调节，使系统重新达到稳定状态。

图7 输出电压的傅里叶分析

图8 设置100 V时输出波形

为检验系统抗干扰性能，在电路中加一个断路器，可变电阻为5Ω，如图9所示。这样，一开始电路负载为10Ω，0.2 s后，开关断开，电路负载为15Ω。

由图10可以看出，输出电压在0.2 s有明显的波动，但经过系统调整之后，输出电压的峰值稳定在202 V～220 V之间，取0.4 s～0.8 s的输出峰值平均值为211 V，得到输出电压有效值为149 V，与预先设置的数值150 V非常接近。因此当产生扰动时，系统能够通过控制系统进行自我调节，返回稳定状态，验证了逆变系统的可靠性。

图9 增加断路器的仿真电路

图10 增加断路器的仿真波形

5 结束语

本文详细介绍了电压型单相全桥逆变电路的电路模型及工作原理，分析了正弦脉宽调制技术（SPWM）的原理和实现方法，应用Matlab／Simulink建立了电路仿真模型，通过对实验输出波形的分析，验证了控制方案的可行性，具有一定实际意义。

［1］雷 博，肖国春，吴旋律.一种数字控制单相全桥逆变电路运动行为分析［J］.物理学报，2012，61（9）：1-11.

［2］杨静伟，卢 刚，李声晋，张玉峰，周 勇.一种基于SPWM控制的逆变器设计与仿真［J］.微特电机，2012，40（9）：63-65.