单相全桥逆变原理及仿真实验
单相全桥逆变原理及仿真实验
逆变技术是将直流电转换为交流电的关键技术，在电力电子领域有着广泛的应用。本文将详细介绍单相全桥逆变器的原理、SPWM调制方式以及仿真过程，帮助读者深入理解这一重要技术。
一、单相全桥逆变器组成原理
1. 全桥逆变电路拓扑结构
全桥逆变电路由四个功率管（Q1、Q2、Q3、Q4）组成，通过控制这些功率管的导通和关断状态，可以实现直流电到交流电的转换。逆变电路工作时，主要有单极性调制和双极性调制两种工作状态：
在单极倍频调制时，还存在以下两种工作状态：
2. 单相逆变器的SPWM调制方式
(1) SPWM调制的基本原理
SPWM（正弦脉宽调制）调制的基本原理是将交流电（如50Hz的正弦波）看作是由许多阶梯状的直流信号组成的。通过生成一系列宽窄不等的脉冲来近似这个正弦波，从而实现功率管在开关状态下的工作。在一个正弦波周期内，脉冲个数越多，通过LC滤波网络还原成的正弦波精度就越高。
(2) SPWM调制波的实现方式
SPWM调制波的实现方式是将调制基波（正弦波）和载波（三角波或锯齿波）的幅值进行比较。当基波幅值高于载波时输出高电平，反之输出低电平，从而产生SPWM调制波。具体实现方法是将基波和载波分别输入到比较器的正反相输入端。比较器输出的是占空比变化的矩形波，通过控制全桥电路4个功率管的导通顺序以及后级的LC滤波，最终得到正弦波形。
(3) 单相全桥逆变器调制方式
单相全桥逆变器根据调制策略不同，可分为单极性调制、双极性调制和单极性倍频调制。
① 单极性调制
单极性调制的特点是高频臂Q1、Q2两个功率管工作在高频状态，低频臂Q3、Q4两个功率管工作在低频状态。这种调制方式的开关损耗较低，但高频臂的功率管因发热较大，寿命较短。
② 双极性调制
双极性调制的特点是4个功率管都工作在高频载波频率，开关损耗较大。但其实现方式较为简单，适合使用半桥功率管驱动芯片。
③ 单极倍频调制
单极倍频调制采用正弦波和两路互为反相的三角波相比较的方式。其特点是输出波形完美，对各种负载的适应性好，且因倍频输出，LC滤波器的体积和成本可以较小。但4个功率管都工作在高频状态，开关损耗较大。
二、单相全桥逆变器仿真
仿真采用双极性调制方式，因为实现方式较其他两种调制方式更为简单。
1. SPWM调制波仿真
要实现逆变，首先需要生成SPWM波形。SPWM波形是通过正弦波和三角波通过比较器得到的。在Simulink中的仿真模型如下：
示波器观测得到的SPWM调制波形如下：
2. 全桥逆变仿真
总体仿真模型如下：
在逆变器中通常采用滤波器来消除逆变器输出电流谐波，滤波器通常存在三种形式：L 滤波器、LC 滤波器和 LCL 滤波器。本文在此采用 LC 滤波器，LC 滤波器是一种二阶滤波器，其滤波效果比 L 型滤波器好，并且在设计和控制上不像LCL 存在固有谐振问题，更加易于稳定。此处逆变器的开关频率设置为 10kHz，因此选取 LC 谐振频率为：
式中：
- 为基波频率；
- 为开关频率；
- 为 LC 滤波器的谐振频率
在滤波器电感设计中，当电感选取较大时，能够有效的抑制电流谐波，但是会影响系统的动态特性，导致电流闭环跟踪缓慢；当电感选取较小时，电流闭环控制跟踪性能较好，但是滤除电流谐波能力较弱，因此在电感设计中通常需要折衷考虑两个方面，电感通常选取几mH，电容十几或几十uf，具体数值需要结合设计参数计算出来。
运行仿真得到的逆变波形为50Hz的正弦波：