电压型单相全控全桥恒频恒压逆变器研究

在电力电子变换和控制技术中，通常将直流电变换成交流电的过程叫逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，实现逆变过程的装置叫逆变器。逆变器应用广泛，类型繁多。依据直流电源的类别，逆变器可分为电压型逆变器（VSI）和电流型逆变器（CSI）；依据输出交流电压的性质，可分为恒频恒压（CVCF）正弦波逆变器和方波逆变器，变频变压（VVVF）逆变器，高脉冲电压（电流）逆变器；依据逆变结构的不同，可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器；依据开关器件及其关断（换流）方式的不同，可分为采用全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器。本文以电压型单相全控全桥恒频恒压逆变器为研究对象，在Matlab中搭建基于SPWM调制的双闭环仿真模型，通过仿真结果对单相全桥逆变器的进行分析说明。

图一 单相全桥逆变器主电路结构

单相全桥式 PWM 逆变器电路结构如图 一 所示，图中 T1、T2、T3、T4

是功率开关管，滤波电感 L 与滤波电容 C 构成LC低通滤波器，r 为考虑滤波电感 L 的等效串联电阻、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻，理想分析时可以忽略。ud为直流母线电压，u1为逆变桥输出电压，uo为逆变器输出电压，iL为流过滤波电感的电流，io代表负载电流。

单相全桥逆变器的工作原理其实很简单，一句话：对角线同时导通，上下管互补。因此，当T1、T4导通时，u1之间的电压为ud；而当T3、T2导通时，u1之间的电压为-ud，如图二所示：

图二  单相全桥逆变器工作原理

根据图二，为方便分析首先去掉LC滤波器，负载两端直接与全桥逆变器的桥臂中点相连。由图可知，经过MOSFET/IGBT的开关动作，原来的直流电压ud已变为正负交变的方波交流电。要注意的是，因为采用spwm调制，正负交变的方波电压是逐个周期(与调制波周期一致)按正弦规律变化的，即：方波脉冲的宽度呈现正弦宽度变化。以双极性SPWM为例，具体如图三所示：

图三  双极性SPWM工作原理

结合图三，再次说明一下：单个正负交变的方波脉冲的周期与三角载波的周期一致，又三角载波的频率就是开关频率，因此正负交变的方波脉冲频率此时可认为是开关频率；而正弦波作为调制波，也就是我们想得到的输出波形，可通过控制其幅值和频率实现输出的调压调频。

以上的分析都是在忽略LC滤波器的前提下进行的，在加入LC滤波器之前，首先对LC滤波器的本身特性进行分析。LC滤波器是低通滤波器，其伯德图如图四所示：
 

图四  LC滤波器伯德图

以常用的基波频率50hz为例，观察图六的幅频特性可知，频率为50Hz(即314rad/s)的基波可以无衰减通过，而250Hz(即1579rad/s)的五次谐波有较大的衰减，对开关频率10kHz的主电路而言，由开关动作所产生的高频分量(即角频率在31400rad以外的谐波)均可以得到很好的抑制。结合上文中提到的交变方波的频率就是开关频率，并且对交方波进行傅里叶级数分解可知：经过LC滤波器之后，输出得到的将是大部分基波分量，即50hz的输出信号。由此可以看出：参与PWM生成的调制波形就是我们想得到的输出波形，而载波的频率就是开关频率；通过控制调制波与载波的幅值比，即调制比可实现对输出的控制。一般情况下，调制比<1;若调制比>1，我们称之为过调制。

理论分析完成后，在MATLAB中进行仿真验证。仿真模型如图五所示：

图五 单相逆变器仿真模型

图六 双闭环PI控制模块

由图六可知：仿真采用的是输出电压外环，电感电流内环的双闭环控制策略，控制算法是PI控制，采用双极性SPWM调制(图7)。通过给定模块可以实现输出电压幅值和频率的调整，如图七所示：

图七 给定模块内部结构图

SPWM的内部结构如图八所示：

图八 spwm内部结构图

注意，在这里载波的幅值为1，频率为20khz，因此电流内环的输出作为调制信号时要进行限幅，防止过调制，限幅值上下限为：1和-1。

仿真结果如下所示：

图九 输出电压

以上！