Matlab Simulink 电力电子仿真-单相电压型半桥逆变电路分析

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Matlab Simulink 电力电子仿真-单相电压型半桥逆变电路分析

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单相电压型半桥逆变电路是一种常见的逆变电路，主要用于将直流电源转换为交流电源。本文将通过Matlab Simulink仿真软件，详细介绍该电路的仿真模型、工作原理、仿真结果以及电路的优缺点和应用场景。

一、单相电压型半桥逆变电路仿真模型

1.电路模型

单相电压型半桥逆变电路是一种常见的逆变电路，主要用于将直流电源转换为交流电源。

（1）单相电压型半桥逆变电路主要由以下部分组成：

直流输入电源：提供稳定的直流电压。
两个全控型开关器件：如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应管），用于控制电流的流向和开关状态。
负载：逆变电路的输出端所连接的电器设备。
电容器：在直流侧可能需要串联两个电容器，以提供稳定的直流电压，并控制两个电容器电压的均衡（某些设计中可能不包含此元件）。

（2）工作原理

单相电压型半桥逆变电路的工作原理如下：

开关状态控制：通过控制两个全控型开关器件的通断，实现直流到交流的转换。当其中一个开关闭合时，直流电源的正极连接到交流负载上，同时负载上出现正向电压；当该开关断开时，负载上出现反向电压。两个开关交替工作，使得负载上的电流和电压形成类似正弦波的波形。
开关脉冲产生：当有源开关闭合时，有源开关端的电压为零，此时有源开关两端的电流在有源开关上形成了一个陡峭的脉冲，被称为开关脉冲。开关脉冲导致负载上的电流逐渐上升，同时负载的电压也逐渐增加。
无源开关作用：当有源开关断开时，负载的电流开始通过无源开关（如二极管），此时负载上的电压逐渐下降。由于无源开关的导通压降低于有源开关，因此负载电压下降的速度较快。

2.电路模型参数

（1）驱动脉冲参数设置：同一桥臂IGBT1、IGBT2驱动脉冲互补。驱动脉冲如下图所示。

从图中可以看出，上下开关管驱动波形互补，轮流开通。

二、仿真分析

（1）输入电压、电流波形、输出电压、电流波形如下图所示：

从图中可以看出，出入电压为直流45V，输出电压为矩形波，并且幅值为输入电压的一半，输出电流的幅值有正有负，近似正弦波形，并且与输出电压存在同向和反向两种工况，当负载电流与电压同向时，直流侧向负载侧提供能量，当载电流与电压反向时负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。

（3）开关管电压、电流波形如下图所示：

从图中可以看出，在开关管关断时，电流为零，开关管开通时，其流过的电流为负，即并联的二极管开通，开关管实现ZVS。

三、总结

1.优缺点

单相电压型半桥逆变电路是一种常见的逆变电路，主要用于将直流电源转换为交流电源。其优缺点分析如下：

1.优点

（1）结构简单：单相电压型半桥逆变电路相较于其他类型的逆变电路，其结构较为简单，使用的器件相对较少。
（2）控制方便：通过控制有源开关（如功率MOSFET晶体管）和无源开关（如二极管）的通断，可以方便地实现直流到交流的转换。

2.缺点

（1）输出电压幅值限制：单相电压型半桥逆变电路的输出交流电压的幅值仅为直流输入电压的一半（即Um=Ud/2，其中Ud为直流输入电压），这在一定程度上限制了其应用范围。
电容器电压均衡问题：直流侧需要两个电容器串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡，这增加了电路的复杂性和成本。
（2）变压器利用率较低：由于半桥电路的特性，其变压器的利用率相对较低，这可能导致能量的浪费。
（3）带感性负载能力差：单相电压型半桥逆变电路在带感性负载时，可能表现出较差的性能，因为感性负载会导致电流波形畸变，进而影响输出电压的质量。