PWM逆变器MATLAB仿真

1设计方案的选择与论证

从题目的要求可知，输入电压为110V直流电，而输出是有效值为220V的交流电，所以这里涉及到一个升压的问题，基于此有两种设计思路第一种是进行DC-DC升压变换再进行逆变，另一种是先进行逆变再进行升压。除此之外，要得到正弦交流电压还要考虑滤波等问题，所以这两种方案的设计框图分别如下图所示：

110V直流电DC-DC升压斩波直流电逆变PWM波滤波220V正弦波

图1-1方案一：先升压再逆变

110V直流电PWM波逆变变压器升压PWM波滤波220V正弦波

图1-2方案二：先逆变，再升压

方案选择：

方案一：采用DC-DC升压斩波电路其可靠性高、响应速度、噪声性能好，效率高，但不适用于升压倍率较高的场合，另外升压斩波电路在初期会产生超调趋势(这一点将在后文予以讨论)，在与后面的逆变电路相连时必须予以考虑，我们可以采用附加控制策略的办法来减小超调量同时达到较短的调节时间，但这将增加逆变器的复杂度和设计成本。

方案二：采用变压器对逆变电路输出的交流电进行升压，这种方法效率一般可达90%以上、可靠性较高、抗输出短路的能力较强，但响应速度较慢，体积大，波形畸变较重。

从以上的分析可以看出两种方案有各自的优缺点，但由于方案二设计较为简便，因此本论文选择方案二作为最终的设计方案，但对于方案一的相关内容也会在后文予以讨论。

2逆变主电路设计

2.1逆变电路原理及相关概念

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逆变与整流是相对应的，把直流电变为交流电的过程称为逆变。根据交流侧是否与交流电网相连可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变，在不加说明时，逆变一般指无源逆变，本论文针对的就是无源逆变的情况；根据直流侧是恒流源还是恒压源又将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，电压型逆变电路输出电压的波形为方波而电流型逆变电路输出电流波形为方波，由于题目要求对输出电压进行调节，所以本论文只讨论电压型逆变电路；根据输出电压电流的相数又将逆变电路分为单相逆变电路和三相逆变电路，由于题目要求输出单相交流电，所以本论文将只讨论单相逆变电路。

2.2逆变电路的方案论证及选择

从上面的讨论可以看出本论文主要讨论单相电压型无源逆变电路，电压型逆变电路的特点除了前文所提及的之外，还有一个特点即开关器件普遍选择全控型器件如IGBT，电力MOSFET等，有三种方案可供选择，下面分别予以讨论：

方案一：半桥逆变电路，如下图所示，其特点是有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点为直流电源的中点。反并联二极管为反馈电感中储存的无功能量提供通路，直流侧电容正起着缓冲无功能量的作用。其优点为简单，使用器件少，缺点为输出交流电压的幅值仅为直流电源电压的一半，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，因此它只适用于几千瓦以下的小功率逆变电路。

Ud/2UdUd/2RuoioV1VD1LV2VD2

图2-1 半桥逆变电路

方案二：全桥逆变电路，如下图所示：其特点是有四个桥臂，相当于两个半桥电路的组合，其中桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对

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交替各导通180o，其输出矩形波的幅值是半桥电路的两倍。全桥电路在带阻感负载时还可以采用移相调压的方式输出脉冲宽度可调的矩形波。

V1VD1UdVD2RuoioV3VD3LV2V4VD4

图2-2全桥逆变电路

方案三：带中心抽头变压器的逆变电路，其主要特点是交替驱动两个IGBT，通过变压器耦合给负载加上矩形波电压。两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量提供反馈通道，该电路虽然比全桥电路少了一半开关器件，但器件承受的电压约为2Ud，比全桥电路高一倍，且必须有一个变压器。

负载iouoUdV1VD1VD2V2

图2-3带中心抽头变压器的逆变电路

方案选择：全桥电路和带中心抽头变压器的逆变电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路大一倍。又由于全桥结构的控制方式比较灵活，所以本篇论文选择单相桥式逆变电路作为逆变器的主电路。

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2.3建立单相桥式逆变电路的Simulink的仿真模型

2.3.1模型假设

1)所有开关器件都是理想开关器件，即通态压降为零，断态压降为无穷大，并认为各开关器件的换流过程在瞬间完成，不考虑死区时间。

2)所有的输入信号包括触发信号、电源电压稳定，不存在波动。

2.3.2利用MATLAB/Simulink进行电路仿真

在Simulink工作空间中添加如下元件：

Simscape/SimPower Systems /Power Electronics中的Diode、IGBT模块 Simscape/SimPower Systems /Electrical Sources/DC Voltage Source模块 Simscape/SimPower Systems /Elements/Series RLC Branch模块 Simscape/SimPower Systems /Measurements/Current Measurement模块 Simscape/SimPower Systems /Measurements/Multimeter模块 Simscape/SimPower Systems /powergui模块 Simulink/Source/Pulse Generator模块 Simulink/Sinks/Floating Scope模块 Simulink/Signal Routing/Demux模块

利用上述模块构成如下图所示的单相桥式逆变电路模型

图2-4单相桥式逆变电路模型

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