方波逆变电路仿真设计

前言

电力电子技术是综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科的知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来的了一定的复杂性和困难，因此一般常用波形分析的方法来研究。本文就基于MATLAB软件，利用MATLAB软件中的Simulink库具有模拟、数字混合仿真功能、具备大量的模拟功能模型和系统分析的能力，进行方波逆变电路的计算机仿真分析，设计了一单相桥式方波逆变电路，和一三相桥式方波逆变电路。

单相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为300V，电阻负载，电阻1欧姆，电感2mH。

三相桥式方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电源为530V，电阻负载，负载有功功率1KW，感性无功功率0.1Kvar。

完成上述桥式方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，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。

关键词：方波逆变器 IGBT开关器件 MATLAB计算机仿真

目录

前言??????????????????????????????I 第一章M A T L A B仿真软件???????????????????????1 1.1M A T L A B简介??????????????????????????1 1.2S i m u l i n k简介????????????????????????3

1.2.1S i m u l i n k的功能?????????????????????3 第二章I G B T开关器件简介??????????????????????4 2.1I G B T的结构??????????????????????????5 2.2I G B T的工作原理????????????????????????5 第三章主电路图工作原理说明????????????????????7 3.1逆变电路???????????????????????????7

3.2逆变电路的基本工作原理????????????????????7 3.3电压型逆变电路????????????????????????8 第四章方波逆变电路的计算机仿真模型的建立?????????????1 4

4.1单项桥式方波逆变电路仿真??????????????????1 4 4.2三相桥式方波逆变电路仿真??????????????????19 第五章总结体会??????????????????????????26 第六章参考文献??????????????????????????27

第一章 MATLAB仿真软件

1.1 MATLAB简介

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。

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。

优点：

（1）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软

件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

（2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

（3）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及

偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

（4）出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

（5）应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入

式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

（6）实用的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB 数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

（7）应用软件开发（包括用户界面）

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

1.2 Simulink简介

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、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，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

1.2.1 Simulink的功能

Simulink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进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。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)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

第二章 IGBT开关器件简介

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz 以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅

等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD （FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。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。

2.1 IGBT的结构

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电

流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

2.2 IGBT的工作原理：

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET 为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶

体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。 IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。

①导通：

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流（双极）。uGE 大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。

②导通压降：

电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。

③关断：

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数

量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

④反向阻断：

当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。

⑤正向阻断：

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

第三章主电路图工作原理说明

3.1 逆变电路

逆变概念：逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。

主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。

无源逆变逆变电路的应用：

蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

3.2 逆变电路的基本工作原理

以单相桥式逆变电路为例：

S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

图3-1 单相逆变电路及其波形

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。

t1前：S1、S4通，uo和io均为正。

t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。

io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大3.3 电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：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3-2 电压型逆变电路（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，输出电流因负载阻抗不同而不同

③阻感负载时需提供无功。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3-3）

工作原理：

V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo 反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

图3-3 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Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW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

工作原理：

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°。uo波形同图3-4b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图3-4b中的io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

uo成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值

uo为正负各180o时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。

◆移相调压方式（图3-4）。

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180o正偏，180o反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0

图3-4 单相全桥逆变电路的移相调压方式

2.三相电压型逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广的是三相桥式逆变电路，可看成由三个半桥逆变电路组成。

180°导电方式：

每桥臂导电180o，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120o，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

图3-5 三相电压型桥式逆变电路

波形分析：

图3-6 电压型三相桥式逆变电路的工作波形防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。

在180?导通型的三相逆变器中，每隔60?的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如表3-1所示。

表3-1

根据表3-1中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120?，如图3-7（a）所示。而线电压可由相电压相减得出，其波形如图3-7（b）所示，为脉宽120?的矩形波。

（a）相电压波形（b）线电压波形

图3-7

初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为：

其余两相各差120?。相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20％。

对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为：

根据图3-7可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分

别为：

实际的电压波形与上面分析的结果略有误差，这是由于在分析中忽略了换流过程，也未扣除逆变电路中的电压降落的缘故。

当三相逆变器按120 ?导通方式工作时，其输出电压波形如图3-8所示，与前面相反，这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。

（a）相电压波形（b）线电压波形

图3-8