方波逆变电路的计算机仿真课案

电力电子系统仿真

题目：单相方波逆变电路仿真

院系：电气工程学院

班级：电气F1305

学号：201323010209

学生姓名：蒋广敬

单相方波逆变电路仿真

实验步骤

①设计一单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2毫亨。根据上述要求完成主电路设计。

②完成上述单相桥式方波逆变电路的计算机仿真，观察输出电压波形。系统输入电流波形，电压电流波形的谐波情况、不同仿真条件时系统输入输出的变化情况和理论分析的结果进行比较。

仿真软件简介

MATLAB 是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件，由美国MathWorks公司于1984年正式推出，1988年推出3.X（DOS）版本，1992年推出4.X(Windows)版本；近几年来，Mathworks公司将MATLAB语言运用于系统仿真和实时运行等方面，取得了很多成绩，更扩大了它的应用前景。MATLAB 已成为美国和其他发达国家大学教学和科学研究中最常用而且必不可少的工具。

MATLAB时“矩阵实验室”（Matrix Laboratory）的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图的需求。在MATLAB中，每个变量代表一个矩阵，可以有n*m个元素，每个元素都被看做复数，所有的运算都对矩阵和复数有效，输入算式立即可得结果，无需编译。

MATLAB主要包括MATLAB和Simulink两大部分。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。MATLAB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、信号处理与通讯、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mathwork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++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户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。

主电路图工作原理说明

1电力电子器件

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是复合型半导体电力电子开关器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双极性三级晶体管，因此兼有MOSFET 和电力晶体管的优点：高输入阻抗，电压驱动控制、驱动功率小，开关速度快、工作效率可达10-40kHZ（比电力晶体管高），饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作范围较宽，可以制成更高电压、电流等级的电力电子设备。

IGBT有三个电极：栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET 管，输出部分是一个PNP三极管V1，此外还有一个内部寄生的三极管V2（NPN 管）在NPN晶体管V2的基极与发射极之间有一个体区电阻R

br。

C

G

E

MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT 消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。

当栅极G与发射极E之间外加电压U

ge

=0时，MOSFET管内无导电沟道，其调

制电阻R

dr。可视为无限大，I

c

=0，MOSFET处于断态。在栅极G和发射极E之间外

加控制电压U

ge ，使MOSFET 管导电沟道变宽，相当于使调制电阻R

dr

变小，也就

改变了输出晶体管V1的基极电流，控制了IGBT管集电极电流I

c 。当U

ge

足够大

时，V1饱和导通，则IGBT进入通态。一旦撤除U

ge ，即U

ge

=0，则MOSFET从通态

转入断态，V1截止，IGBT从通态转入断态。

2 逆变电路

逆变电路是电力电子交换电路的四种基本形式之一，又称为直—交变换器，它是能将直流电变换成交流电的电路。当交流侧接交流电路时，称为有源逆变电路；当直流电变换为交流电后直接向非电源负载供电时，称为无源逆变电路。

2.1逆变电路的分类

●按主电路结构的不同和输出相数分为单相和三相逆变电路。

●按逆变电路直流侧电源性质分为电压型逆变电路和电流型逆变电。电压型逆

变电路输入端接有大电容，形成平稳的直流电压，电流型逆变电路的输入端接有大电感，形成平稳的直流电流。

●按输出交流电压的性质分为恒频恒压正弦波逆变电路、方波逆变电路、变频

变压逆变电路和高频脉冲电压逆变电路。

●按主电路中所用的开关器件的换流方式分为硬开关逆变电路、负载换流逆变

电路和准谐振逆变电路。

2.2逆变电路中器件的换流方式

◆器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流的方式称为器件换流。

◆电网换流：由电网提供换流电压的称为电网换流。

◆负载换流：由负载提供换流电压的称为负载换流。

◆强迫换流：用附加电容上所存储的能量来实现的称为强迫换流。

3 电压型逆变电路

逆变电路按直流电源性质分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。

图3-1电路的具体实现。

图3-1 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

电压型逆变电路的特点：

(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

(2) 输出电压为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

(3) 阻感负载时需提供无功。直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管

（1）单相电压型逆变电路

1、半桥逆变电路

电路结构：见图3-2

工作原理：

V 1和V

2

栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。u

o

为矩形波，幅值为Um=Ud/2，

i o 波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V

1

或V

2

通时，i

o

和u

o

同方向，直流

侧向负载提供能量，VD

1或VD

2

通时，i

o

和u

o

反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD

1

、

VD

2称为反馈二极管，还使i

o

连续，又称续流二极管.

图3-2 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

优点：简单，使用器件少

缺点：交流电压幅值U

d

/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，

用于几k

W

以下的小功率逆变电源。

单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

2、全桥逆变电路

电路结构及工作情况：

图3-3，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导

通，交替各导通180°。u

o 波形同图3-4b。半桥电路的u

o

，幅值高出一倍U

m

=U

d

。

i o 波形和图3-4b中的i

o

相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量分析

u

o

成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值

u

o

为正负各180o时，要改变输出电压有效值只能改变U

d

来实现。

移相调压方式（图3-3）。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180

o正偏，180o反偏，且V

1和V

2

互补，V

3

和V

4

互补关系不变。V

3

的基极信号只比V

1

落后q ( 0

3、V

4

的栅极信号分别比V

2

、V

1

的前移180o-q，u

o

成为正

负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。

图3-3 单相全桥逆变电路的移相调压方式

单相方波逆变电路的计算机仿真模型的建立

1单项桥式方波逆变电路仿真

设计要求：设计一单项桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，电阻负载，电阻一欧姆，电感2mh。设计上述要求完成主电路设计。单项桥式方波逆变电路

参数设定：

图4-2

当负载为阻感性负载时：

3 单相桥式方波逆变电路仿真图形

电压电流波形：

图4-5 电压电流波形

◆波形分析：当负载为纯阻性负载时，电压电流波形一样，为方波.

图4-7 电流电压波形

◆波形分析：当负载为阻感性负载时，由于电感有储能作用，所以电流的波形

不是方波，形似正弦波。

总结

通过6周的电力电子仿真课程及实验，我学到了很多知识。我们使用了MATLAB软件，由于距上次使用MATLAB已经有很长时间了，为了再次熟悉这款软件的各种使用方法，我查阅了很多资料，所以我对这款软件有了更深入的了解。

学习此课程最大的收获就是不光要了解课本知识，还要善于利用各种工具来获得所需要的资源，并且加深了对各种知识的理解，也对以后工作中的应用积累了经验。

由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完实验课，那些问题就迎刃而解了，而且还可以记住很多东西。