逆变电源的设计

逆变电源的设计

专 业 电子信息工程

学生姓名

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指导教师

二Ｏ一一年 12月 30日

第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

逆变电源是一种采用电力电子技术、控制技术进行电能转换的电力装置，它可将输入的12V或24V等直流电转换成220V/50Hz交流电或其它类型的交流电，它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。

目前世界各国电源标准并不统一，各种新兴的能源形式也不断出现，逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变电源有着不可替代的作用。有了逆变电源，就可利用直流电(蓄电池、开关电源、燃料电池等)转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等、小型逆变电源还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变电源的研制将带来可观的经济效益和社会效益。

逆变技术的原理早在1931年就有人研究过。从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3kHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(BJT)的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管(MOSFET)绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化创造了条件。进入20世纪80年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。

而微电子技术的发展又为逆变技术的实用化建立了很好的平台，传统的逆变器需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成。随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、模糊控制等在逆变领域得到较好的应用。

总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理

论的发展而发展的，进入21世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。而逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。

1.2 国内研究水平以及发展趋势

近年来，现代逆变技术主要朝着高频化、模块化、数字化、绿色化以及并机技术的趋势发展。而目前我国国内的逆变电源按变换方式主要采用工频变换。工频变换逆变电源是先产生50HZ交流信号，然后利用工频升压器产生220V交流电。这种逆变器结构简单，工作可靠，但这种逆变器体积大、笨重、噪音大、价格高、效率方面也有待进一步提高。高频变换逆变电源是通过高频DC-DC变换技术，先将低压直流变为高频低压直流，经过高频变压器升压后再整流成高压直流，对其再进行正弦变换，即可得到220V/ 50Hz正弦波交流电。虽然这种逆变器控制环节较多，电路复杂，但是因为采用了高频变换，因而体积小、重量轻、噪音小、效率高，是目前可再生能源发电系统中首选产品。

1.3 论文主要研究的的内容以及目标

本课题主要是研究逆变技术，通过给定输入的直流电转化为能带动额定负载的交流电输出，并以此为基础利用Matlab与DSP混合编程研究单相逆变电源的仿真，并将做出相应的参数辨别曲线，做出估算及计算精度。

主要涉及到的问题包括以下几个方面：

1、确定系统的总体结构；

2、建立逆变电源主要部件的数学模型；

3、如何实现逆变系统的PWM控制；

4、了解Matlab与Simulink软件的使用方法、编程以及仿真方法；

5、用Matlab对逆变系统进行仿真。

第二章 独立逆变电源的系统分析

第二章 独立逆变电源的系统分析

逆变技术是在电力电子技术中最主要、最核心的技术，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等。本章将对独立逆变系统的整体结构进行分析和比较，对独立逆变电源的控制和结构进行分析和简化并对其进行参数整定。

2.1 逆变技术的分类

现代的逆变技术种类很多，可以按照不同的形式进行分类，主要有如下几种：

1、按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变(50~60Hz )、中频逆变(400Hz到十几KHz)、高频逆变(十几KHz到几MHz)。

2、按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

3、按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。

4、按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。

5、按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。

6、按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。

7、按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。

8、按控制方式，可分为调频式(PFM)逆变和调脉宽式(PWM)逆变。

9、按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。

2.2 独立逆变系统结构的比较

目前常见的逆变系统结果主要有一下三种：

2.2.1 工频变压器形式电路

即单结构（DC-AC），如图2-1所示，先将电流电压转换成有效值相同的交流电压，再由工频变压器将所得的交流电压升到预期的额定交流电压（比如220V）。工频变压器形式电路的工作效率一般可以达到90%以上，可

靠性高、抗输出短路的能力强。但是采用工频变压器造成体积庞大，所以质量较大，价格也比较昂贵，而且响应速度慢、波形畸变严重、带非线性负载的能力比较差。

2.2.2 高频变压器形式电路

即三级结构（DC-AC-DC-AC），如图2-2所示，主电路分为高频升压部分和工频逆变部分，系统相对复杂。

（1）高频升压部分（DC-AC-DC）：首先将直流电压逆变成有效值相同的高频交流电压，然后经过高频变压器升压，再整流滤波可以得到一个稳定的高压直流电压。

（2）工频逆变部分（DC-AC）：滤波得到的高压直流电压经过工频逆变电路得到220V或者380V的交流电压。

此系统的逆变效率一般可以达到90%以上，由于采用了高频变压器，使系统的体积、重量、噪声等都明显减小，但是该电路也相对比较复杂。

图2-1 工频变压器形式

图2-2 高频变压器形式

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2.2.3 无变压形式电路

即两级结构（DC-DC-AC），如图2-3所示，将直流电压经过非隔离变化后得到高压直流电压，再通过工频逆变得到交流电压。由于不采用变压器进行输入和输出的隔离，所以系统体积小、重量轻、效率高、成本低而且系统也不复杂。但是由于没有进行隔离，所以存在许多不安全因素，为了进行保护和防止干扰，必须采取许多防护措施。

图2-3 无变压器形式

由于本次设计主要是针对逆变电源进行仿真，综合比较上述方案，本设计最终将采用无变压器形式的主电路方案，设计中分为升压环节和逆变环节。

2.3独立逆变系统升压环节的比较和分析

本设计中，逆变器的输入为24V直流电压，而其输出则要求为稳定的220V交流电压，所以系统中必须有升压变压器。

升压环节实际上是DC-DC开关电源，由于DC-DC变换器的结构非常多，本文只介绍其中几种常见的结构电路：

2.3.1 正激式

如图2-4(a)所示，该电路结构简单，在变压器绕组中增加一个去磁绕组便可实现去磁效果，是中小功率变压器常用的设计方案，但是该电路变压器铁心单向磁化，利用率比较低，主功率管承受两倍的输入电压，只能适合低压输入电路。

2.3.2 反激式

如图2-4(b)所示，该电路的形式与正激式变换器相似，主功率管承受的电压相同，但是变压器的接法却不相同。而从输出端看，反激式电路可以看做一个电流源，所以不能开路。

图2-4(a) 图2-4(b)

正激式变换 反激式变换

2.3.3 半桥式

如图2-5(a)所示，变压器铁芯不存在直流偏磁现象，变压器在两象限工作，功率管只承受电源电压，所以该电路适合用于高压中功率场合。

2.3.4 全桥式

如图2-5(b)所示, 变压器铁芯利用率高，容易采用软开关工作方式，功率管也只承受电源电压，但是功率器件相对比较多，而且存在直通现象，适合用于大功率场所。

图2-5(a) 图2-5(b) 半桥式变换 全桥式变换

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2.3.5 推挽变换

如图2-6所示，电路结构简单，完全可以看作是有两个对称的单端正激式变换器组成的，所以变压器铁芯是双向磁化的，在相同的铁芯尺寸下，推挽电路可以比正激式电路输出更大的功率。但是如果该电路不能严格对称的话，铁芯就非常容易引起直流偏磁饱和，而且偏压器原边存在漏感，所以主功率管必须承受超过两倍的电源电压，因此适合用于低压大电流场合。

图2-6 推挽变换

2.3.6 直流升压斩波电路

如图2-7所示，该电路结构非常简单，控制方式简单，而且用直流斩波器代替变阻器可节约电能30%左右，所以直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

图2-7 直流升压斩波电路

综合比较上述方案，本设计最终决定采用直流升压斩波电路作为升压环节的主电路，下面就简要的分析一下该直流升压斩波电路的工作方式。

如图2-7所示，升压斩波电路中的开关器件可以根据具体的应用需要来选择，其中二极管VD可以防止电容C通过电源放电。该电路的工作过程可以分为三种模式，其等效电路如图2-8所示。当电流连续时，该电路工作在模式1和模式2；当电流断续时，电路工作于模式1、模式2和模式3。

(a) 模式1

(b) 模式2 (c) 模式3 图2-8 升压斩波电路等效电路

当电流连续工作时，升压斩波电路的主要工作波形如图2-9(a)所示，设在t= t0时刻驱动V导通，在ton时间内，电路工作在模式1，开关器件V导通时间为ton，电路等效为两个回路，在直流侧，电感L中的电流按指数上升，由IL1上升到IL2，此时开关器件V的电压为0V，所以电感电压就为电源电压，又因此时的二极管VD截止，即电流为0A，直流电源的能量将全部储存在电感L中，负载上的电流由电容C放电来维持恒定。

在t1时刻驱动V关断，电路工作方式为模式2，此时电源和电感储能释放，同时向电容和负载供电。有UotontoffTUs，其中成为升压比，升压tofftoff

比的倒数记作,和的关系可以表示为：+=1，所以上面公式整理后

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又可以表示为： Uo1

Us1Us。其中，占空比

平均电压uo大于输入直流电源电压Us，即该斩波电路具有升压功能，符合设计要求。

(a) (b)

图2-9 升压斩波电路的主要工作波形

(a)电流连续时主要波形 (b)电流断续时主要波形

2.4 独立逆变系统逆变环节的比较和分析

在单项逆变电路中，常用到的逆变电路主要有推挽式逆变电路、板桥逆变电路、全桥逆变电路三种，下面对这三种逆变电路进行分析比较，并最终选出符合本设计的单相逆变单元。

2.4.1 推挽式逆变电路

如图2-10所示，推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变开关管Q1、Q2的基极，控制它们交替断通，使输入直流电压变换成高频的方波交流电压从变压器输出。当Q2导通时，Q1截止，输入电压Vd加在变压器的原边绕组上，由于变压器有两个匝数相同的N1绕组，所以在Q2上将施加两倍的电源电压(即2Vd)。当驱动脉冲结束后，即在死区时间内，两只开关管都截止且端电压都为Vd。同理，当Q1导通时，Q2截止，在Q1上施加两倍的电源电压。

图2-10 推挽式逆变电路

2.4.2 半桥逆变电路

该电路的结构如图2-11所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成，在它的直流侧接有两个足够大的互相串联的电容，使得两个电容的联接点成为直流电源的中点。

开关器件Q1、Q2的栅极信号在一个周期内都是半周期正偏半周期反偏而且互补。当Q1导通、Q2截止时，输出电流io和途中所示的方向相同，当Q2导通、Q1截止时，输出电流io和图中所示方向相反。所以输出电流的方向反映了实际导通的开关器件是Q1还是Q2。

半桥逆变电路结构简单，电路中的功率开关器件比较少，但是主电路的交流输出电压幅值仅仅为Ui/2，所以在同等容量条件下它的功率开关额定电流是全桥逆变电路中功率开关器件的额定电流的两倍。由于半桥电路中的分压电容作用，使该电路具有较强的抗电压输出不平衡的能力，同时半桥逆变电路的控制比较简单，而且使用的器件少、成本低，因此在小功率的逆变电路中使用比较广泛。

图2-11 半桥逆变电路

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2.4.3 全桥逆变电路

电路结构如图2-12所示，该电路是单相全桥逆变电路，可以看作是由两个半桥逆变电路组成的。在单相电压型逆变电路中是应用得最多的电路，而且主要应用于大容量场合。在相同的直流输入电压情况下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥逆变电路的两倍，这意味着输出功率相同时，全桥逆变电路的输出电流和通过开关器件的电流均是半桥逆变电路的一半，在大功率场合中，这是一个非常显著的优点，可以减少电路所需并联的器件数量。

图2-12 全桥逆变电路

由于本设计的对象是单相逆变电源，所以综合分析比较上述三个方案后，最终选取单相全桥逆变作为逆变环节的主电路，下面将简单的介绍单相全桥逆变电路的工作方式以及主要波形。

如图2-12所示，单相全桥逆变电路可以看作是由两个半桥逆变电路组成的，桥臂1、4和桥臂2、3各成一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°，其输出电压uo的波形和半桥电路的uo波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=Ud。在直流电压和负载都相同的情况下，输出的电流io的波形也和半桥电路中io的形状相同，而幅值增加一倍。

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的电路，下面对其电压波形做定量分析。把幅值为Ud的矩形波u0展开，形成傅里叶级数：

11ntsintsint) (2-1) uo4Ud/(si35

式中，基波的幅值Uolm和基波的有效值Uol分别为：

Uolm4Ud/1.27Ud (2-2)

Uol22Ud/0.9Ud (2-3)

上述公式对于半桥电路也是适用的，只是式中的Ud要换成Ud/2。 前面分析的uo波形都是正负电压各180°的矩形波情况，在这种情况下，要改变输出电压的有效值，只能通过改变直流电压来实现。

在阻感负载时，还可以采用移相方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。其波形如图2-13所示，这里所说的移相调压其实就是调

UG2互补，UG3、节输出电压矩形波(脉冲)的宽度，具体做法是，栅极信号UG1、

UG4互补，而且仍为180°正偏、180°反偏。但是UG1与UG4、UG2与UG3的相位不同，错开角度，即调节UG3落后UG1的角度从180°较少为角(0

图2-13 单相全桥逆变电路的移相调压波形图

第二章 独立逆变电源的系统分析

2.5 逆变电路控制方案的分析和比较

在逆变电路系统中，逆变电路的性能很大程度上决定了整个系统的性能和效率，随着逆变发电系统的应用越来越广，人们对逆变电路输出的电压质量的要求也越来越高，人们不仅要求逆变电路的输出电压稳定和工作可靠，而且还要求其输出电压的正弦度高、动态响应速度快等。

逆变电路要实现输出纯正的正弦波，其控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体的控制方案有以下几种：

2.5.1 模拟控制

控制脉冲的生成、控制算法的实现全部由模拟器件完成。其优点是技术非常成熟，有很多的实例可以参考，但是它也存在很多的固有缺点：控制器的元件比较多，电路复杂，所占的体积较大而且灵活性不够，一旦硬件电路设计好了之后，控制策略就无法再改变，调试很不方便。由于所采用的器件特性存在差异，致使电源的一致性较差，而且模拟器件工作点的漂移导致系统参数漂移。所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

2.5.2 由单片机实现数字控制

为了改善系统的控制的性能，通过A/D转换器将微处理器与系统相连，在位处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或者脉宽调制口(PWM)发出开关控制信号，微处理器还能将采集的功率转换装置工作数据显示或传送到计算机保存。一些控制之中所用到的参数值可以储存在微处理器的储存器中，并对电路进行实时监控，微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但是，由于微处理器运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路系统然要用到运算放大器等模拟控制器件。

2.5.3 由DSP实现数字控制

随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件以及数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)技术的发展，逆变电源的全数字化控制成为现实。DSP能实时地读取逆变电源的输出，并实时的计算出PWM输出值，使一些先进的控制策略应用于逆变电源的控制成为可能，从而可以对非线性负载的动态变化时产生的谐波进行动态补偿，使输出的谐波控制在可以接受的水平内。

2.6 DSP简介

数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)是针对数字信号处理的要求而设计的一种可编程单片机，是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物。20世纪60年代以来，随着计算机技术和信息技术的发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展，20世纪70年代末，第一块数字信号处理器芯片(DSPs)问世以来，凭着它数字器件特有的精确性、稳定性、易于大规模集成和可编程性等特点，使得数字信号处理技术得到飞速的发展，其应用领域也开始拓展到经济生活中的各个方面。数字信号处理技术无论是在理论上，还是在实际工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并随着科技的日益进步而日益趋于完善和成熟。数字信号处理器芯片(DSP)是被设计成为一种特别适合用于进行数字信号处理的微处理器，它是通过使用数学技巧执行转换或提取信息来处理现实信号，其中这些信号由数字序列表示。自1982年美国TI公司推出第一个DSP芯片TMS32010以来，DSP芯片有了长足的发展，它不仅在运算速度上有了很大的提高，在通用性和灵活性方面也得到了极大地提高。除此之外，DSP芯片的体积、重量、功耗和成本都有了很大程度的下降。所以在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

2.7 独立逆变系统的反馈环节的分析

本设计要求经升压、逆变之后输出稳定的额定电压，但是由于经过逆变电路输出的瞬时电压并不稳定，所以就必须在该独立逆变系统中增加一个电压的PI反馈环节使该系统变成闭环反馈系统，以满足设计的要求。

采用模拟或数字控制方式对生产过程的某参数进行的自动控制成为过程控制，如图2-14所示为一简单的PI反馈控制回路，传感器或变送器检测被控制量的值与给定值进行比较得到偏差量，然后调节器按照一定的控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，再通过执行器控制于过程，使输出最终满足设计的要求。

第二章 独立逆变电源的系统分析

操作变量

图2-14 简单的PI反馈控制回路

PI调节器是一种线性调节器，其传递函数为：

D(s)U(s)/E(s)Kp(1

PI调节器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，并将该偏差的比例(P)、积分(I)通过线性组合构成控制量，以实现对控制对象的控制，其控制规律为：

u(t)Kp[e(t)

PI控制系统原理框图如图2-15所示，PI调节器的各校正环节的作用是：

1、比例环节实时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节最主要用于消除偏差，以提高系统的稳定性。而积分作用的强弱则取决于积分时间常数的大小，时间常数越大，则积分作用越弱，反之则越强。

1) (2-4) TiS1te(t)dt] (2-5) 0Ti 图2-15 PI控制系统原理框图

第三章 PWM控制技术原理及SPWM波的生成 PWM控制技术实际上就是斩波控制技术，就是对脉冲宽度进行调制的技术，即是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形(如正弦波、频率和幅值)。PWM控制技术涉及调制法和控制法两方面内容：就调制法而言，有单脉冲调制和多脉冲调制；有同步调制、异步调制和分段同步调制；还有单极性调制和双极性调制三大类。而就控制法而言，则有等脉宽PWM法、正弦波PWM法、磁链跟踪PWM法和电流跟踪PWM法四大类。它在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路，几乎都是PWM型逆变电路。所以在设计逆变电路时，就必须了解并掌握PWM控制技术及SPWM波的产生方法。

3.1 PWM控制的基本原理

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如图3-1(a)、(b)、(c)、(d)所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图3-1(e)所示的R-L电路上时，并设其电流i(t)为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图3-1(f)所示。

(a) (b) (c) (d)

第三章 PWM控制技术原理及SPWM波的生成

(e) (f)

图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲及响应波形

3.2 SPWM的控制模式及其实现

脉冲幅值相等而脉冲宽度按正弦规律变化而正弦波等效的PWM波称为SPWM(sinusoidal PWM)波形。

3.2.1 SPWM法的基本原理

如图3-2所示，把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲来代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，则可得图3-2所示的矩形脉冲序列，这就是SPWM波形。

图3-2 用PWM波来代替正弦半波

3.2.2 规则采样法生成SPWM波

SPWM的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断时刻。规则采样法由经过采样的正弦波与三角波相交，并由交点得出脉冲宽度。该方法只在三角波的顶点或者底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图3-3所示。

图3-3 规则采样法生成SPWM波的原理图

假设三角波的幅值为1，正弦函数为ur=M sint，M为调制度且0

1M sint2 (3-1) t2/2Tc/2

其中，Tc为三角载波周期，t2为脉冲宽度。

t2(1Msint)Tc/2 (3-2) 所以矩形波开通时间为：

将上式离散化后可得：t2(Msin(2I/N)1)/2 (3-3) 式中， Tc为在波周期，I为第I个SPWM波，N为采样的总个数。

第三章 PWM控制技术原理及SPWM波的生成

3.3 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析

电路如图3-4所示，该电路工作时，V1和V2通断互补，V3和V4也通断互补，如在uo正半周，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断，且负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。

图3-4 单相桥式PWM逆变电路

3.3.1 单极性PWM控制方式

如图3-5所示，调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。

a)在ur的正半周时，V1保持通态，V2保持断态，当ur>uc时，使V4导、V3关断，uo=Ud。当ur

b)在ur的负半周时，V1保持断态，V2保持通态。当uruc时，使V3关断、V4导通，uo=0。

图3-5 单极性PWM控制方式波形

3.3.2 双极性PWM控制方式

如图3-6所示，在调制信号ur和载波信号uc的交点的时刻控制各个开关器件的通断。

a)在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。

b)在ur的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当ur>uc时，V1

V2和V3关断，和V4导通，这时如果io>0，则V1和V4导通，如果io

和VD4导通，但不管那种情况都是uo=Ud。当ur0，则VD2和VD3导通，但是不管哪种情况都是uo= -Ud。

图3-6双极性PWM控制方式波形

致谢

第四章 单相逆变电源的Matlab仿真

为了验证设计好的独立逆变系统是否符合设计的技术要求，这就要求对设计好的系统进行检测、分析、比较，若是做出实物后再进行检测，则相对比较麻烦，而在MATLAB软件中，只要将设计好的电路进行模拟后却完全可以实现仿真，这样不仅相对容易，而且也快捷、方便、直观明了。

4.1 MATLAB的简称

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。它可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通信、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C++ 和JAVA的支持。用户可以直接调用，也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

4.2 Simulink的简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，便可以构造出复杂的系统。Simulink具有适用性广、结

构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高和灵活等特点，并且已广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真及设计中。此外，大量的第三方软件和硬件可以应用于或者被要求应用于Simulink系统。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间来进行建模，为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建动态过程只需要单击和拖动鼠标操作就可以完成，而且用户可以立即看到系统的仿真结果，所以，它为用户提供了一种更加快捷、直观明了的方式。

此外，Simulink还具有丰富的可扩充的预定义模块库、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，并以设计功能的层次来分割模块，来实现对复杂设计的管理。

4.3升压环节的建模及仿真

根据独立逆变系统的总体结构，可以将其分为PWM升压电路和单相全桥逆变电路，下面分别对其进行仿真建模。

直流升压电路的工作原理在第二章已经介绍过，其原理图如图2-7所示，

图2-7 直流升压斩波电路

在该电路中，开关器件用IGBT，控制IGBT的信号波形由PWM脉冲生成器Pulse Generator产生，其他的电源、电感、电容、电阻以及二极管分别对应于Simulink中的DC、L、C、R以及Diode。为了方便观察仿真输出，

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所以应在输出端另外加上一个电压检测装置Voltage Measurement，并且将其输出值送入示波器Scope中。以上各种器件都可以在SimpowerSystems的下拉菜单Electrical Sources中找到，如图4-1所示。当把上面所用到的器件都找齐之后，就可以按照直流升压斩波电路连接电路，便可以得到如图4-2所示的仿真模拟图。

图4-1 升压电路中使用的各个器件

图4-2 直流升压斩波电路的仿真模拟图

建立好模拟仿真图后，根据设计要求以及参考资料，一边运行一边调试图中各器件的参数，直到符合要求为止。经调试后，电路的输出波形如图4-3所示，其中各个器件参数设置为：直流电源为DC=24V，开关器件IGBT和二极管Diode使用默认参数，电阻R=50，电感L=1e-3 H，电容C=50e-6 F，在脉冲生成器PWM的设置中，周期Period为0.0001，占空比为89.5%，并且在示波器中，将Data history中limit data points to last前面复选框中的“√”去掉，以方便观察波形。

下面就简单的分析电感、电容、电阻单独变化时对仿真波形的影响：

(1)电感L取值越大，则曲线反应速度越慢，超调越小；反之，L越小，曲线响应速度越快，但是超调则越大。

(2)电容C取值越大，纹波越小，超调越大且调整时间越长；反之，C越小，纹波越大，超调越小或者无超调，曲线比较平滑，而且调整时间也越小。

(3)电阻R取值越大，则纹波越小，超调越大，系统越不稳定；反之，R越小，纹波越大，超调越小或无超调，系统越稳定。

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图4-3 升压电路的电压输出仿真波形

4.4 制作并生成SPWM波形

因为在全桥逆变电路中，由SPWM波信号来控制全桥中的IGBT管，所以在对逆变环节进行仿真之前，应该首先制作出SPWM波形，而由第三章我们又可以知道SPWM波是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定的，根据这个原则，可以构建出电路模型如图4-4所示。

在图中调节各个器件的参数便可以得到各种不同的仿真波形，如：将正弦信号生成器Sine Wave中的幅值Amplitude设置为2，把频率Frequency也设置为2；将三角波生成器Repeating Sequence中的Time values设为[0 0.25]，把Output values设置为[-4 4]；将比较器Switch中的Criteria for passing first input设置为u2>Threshold。调节好参数后，运行程序，便可以得到如图4-5所示的波形，其中每一屏所对应的波形分别为：正弦波、SPWM波以及三角波，且由图中可以看出SPWM波形为双极性波形。

图4-4 制作SPWM波的电路模拟图

图4-5 正弦波、SPWM波及三角波的仿真图

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4.5 逆变环节的建模及仿真

在制作出SPWM波以后，便可以开始对逆变电路进行建模，而全桥逆变电路的工作方式在第二章已经介绍，其电路原理图如图2-12所示。

图2-12 全桥逆变电路

在simulink中，该电路的全桥部分可以用一个通用桥来表示，也可以由4个IGBT和4个二极管Diode组成。为使仿真电路比较形象，最后采取4个IGBT和4个二极管Diode组成全桥电路，在找到所用器件之后，按照该

T2和T3电路构建模型，因为电路中全桥部分的4个IGBT中T1和T4为一对，

为一对，所以电路就需要两个控制信号来控制这4个IGBT的断通，为方便仿真，暂时用两个脉冲发生器Pulse Generator生成的波形来作为控制信号。同时，为了方便观察电路的工作情况，在测量电路输出电压的同时，另外还测量流经电源的总电流is以及流经负载R-L的输出电流io，并同时送到示波器中输出观察其波形，这样便得到如图4-6所示的全桥逆变电路的仿真模型。

建立好模型之后，便开始调节图中各器件的参数，经过反复调整之后，最终确定的参数为：直流电压DC=220V；脉冲发生器Pulse Generator1的幅值Amplitude为1，周期Period为0.02，占空比为50%；脉冲发生器Pulse Generator2的幅值、周期、占空比均与Pulse Generator1相同，但是相位延迟Phase delay为0.01；负载R=10、L=0.02；其余的各个IGBT以及二极管Diode均取默认值。调整好参数后，运行仿真并得到如图4-7所示的仿真波形，其中示波器中每一屏的波形分别为电源电流is、输出电流io以及输出电压uo。

图4-6 全桥逆变电路仿真模型

图4-7 电源电流is、输出电流io、输出电压uo的仿真波形

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4.6 独立逆变系统总电路的仿真

将升压环节以及逆变环节连接后便可以得到如图4-8所示的系统总电路的仿真模型，由该图可以看出，24V的直流电压经过直流斩波升压电路后得到220V的直流电压，然后再将经升压后所得到的电压通过全桥逆变电路将其逆变成为220V的交流电压。对其进行仿真后可以得到如图4-9所示的各种输出波形，其中图中至上而下的波形分别为电源电流is、输出电流io以及输出电压uo。并且可以有波形图中看出，电压在0.01s后进入正常周期，并且周期T=0.02s；而对比电源电流is以及输出电流io之后可以得出，电源电流的周期仅为输出电流的一半，即电源电流的频率为输出电流的一倍：fis2fio。

图4-8 系统总电路的仿真模型

图4-9系统电源电流is、输出电流io、输出电压uo的仿真波形

本章最主要的工作就是针对电路进行仿真，并观察波形，所以在仿真之前对电路进行构建仿真模型的工作是至关重要的，因为只有模型建立正确最终才能得到预期的输出，故在Simulink中挑选器件时必须非常仔细，以免因挑选错器件而造成仿真失败。在构建好电路模型后，还要对电路中的各个参数进行调整，这期间既可以对其进行数学理论计算得到参数值也可以依据经验边仿真边调整参数，由于本设计涉及到需要调整的参数并不多，所以在设计时，就采用了边仿真边调整参数的方法来确定各元件参数。

第五章 总结及期望

5.1 总结

本文首先从世界能源形势和逆变技术发展历程以及发展趋势入手，简单

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介绍了独立逆变系统的基本原理和系统组成、逆变电源技术和PWM控制技术。分析了三种独立逆变系统结构的工作方式及其优劣，并重点研究了逆变电源中升压环节和逆变环节的主电路及 PWM控制方法。最后通过在Simulink中构建电路模型，仿真验证本文采用的设计方法的可实现性。

5.1.1 设计中的主要成果如下：

(1)、分析比较独立逆变系统的三种结构，并选出适合本设计的系统结构。

(2)、分析比较升压环节的各种结构电路，并简单介绍了直流斩波升压电路的工作方式及主要波形。

(3)、分析比较逆变环节的各种结构电路，并简单介绍了全桥逆变电路的工作方式及主要波形。

(4)、对PWM控制技术进行了简单的分析，并且在Simulink中制作生成双极性SPWM波。

(5)、实现各环节主电路的PWM控制。

(6)、在Simulink中完成对独立逆变系统模型的构建并且仿真出波形。

5.1.2 设计中遇到的主要问题如下：

由于时间以及本人水平能力问题，设计中还有一些问题没有得到很好的解决，主要有：

(1)、设计中没有实现系统的PI反馈调节。

(2)、逆变电源最终的输出不是稳定的正弦信号。

5.2 展望

随着控制理论、现代电力电子技术以及计算机技术的不断发展，各种交通设备智能化、网络化将成为必然，同时人们对生活的要求也越来越高，各种现代化的电子设备越来越多的使用，所以逆变技术也必然朝着高频化、模块化、数字化、绿色化以及并机技术的趋势发展。同时这些设备又基本都是使用工频交流电源的，所以正弦波逆变电源也将是未来发展的必然选