单相SPWM逆变电源仿真设计

of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2008 Vol.27 No.3 Journal

文章编号：1008-0562(2008)03-0394-03

单相SPWM逆变电源仿真设计

赵建武

（辽宁省农业经济学校

教务科，辽宁 锦州 121001）

摘 要：针对现代各行各业对电气设备控制性能日益提高的要求，基于SPWM脉宽调制技术的逆变电路应用，通过用OrCAD软件对采用SPWM脉宽调制技术的开环逆变系统和闭环逆变系统建模进行仿真，根据对输出电压波形的比较和分析得出结论：采用闭环SPWM逆变系统输出没有稳态误差，SPWM脉宽调制技术的逆变电路有良好的输出特性。

关键词：逆变；SPWM；OrCAD；仿真 中图分类号：TM 4 文献标识码：A

Design of simulation of single-phaseSPWM inverse power sources

ZHAO Jianwu

（Department of Teaching Affairs，Liaoning School of Agriculture and Economics，Jinzhou 121001，China） Abstract: To meet the increasing demands for the controlling performance of the electrical equipment from all trades and professions, the invertse circuit applying SPWM technology is widely used. And the research is conducted to explore how to simulate the closed-loop and open-loop inverter system applying SPWM technology by using OrCAD software. According to the comparison and analysis of output voltage waves, the conclusion can be drawn that the invertse circuit applying the SPWM technology has good output characteristics Key words: inverter；SPWM；OrCAD；simulation

0 引 言

逆变是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的技术[1]。本文对逆变系统主电路进行了设计，用OrCAD软件对开环逆变系统和闭环逆变系统建模进行仿真。

在电路中输入为VD=350 V DC，输出为220 V AC 50 Hz，输出功率为P=2 000 W，功率因数为 cos φ=1。则电路各元件选取如下。 1.1 开关管和二极管的选择

(1)开关管的选择[2]

最大输出情况下，电流有效值为

P2000W ==9.09A (1) Imax=

V×cosϕ220V×1

r

1 逆变器主电路的设计

电压型逆变器的主电路如图1。

VCC

T1

T3 D1

D3

L1

开关管额定电流ICE

ICE>1.5×Imax=1.5×9.09=13.635A (2)

C1

R

C

2

开关管额定电压VCER

T2

T4 D2

D4

VCER>2×VM=2×350=700V (3)

(2) 二极管的选择

额定电压VRR

图1 逆变器的主电路图 Fig.1 main circuit diagram of inverter

收稿日期：2007-11-20

基金项目：辽宁省教育厅高等学校科学研究基金资助项目（2005052） 作者简介：赵建武（1954-），男，辽宁 锦州人，高级讲师，主要从事物理、电子技术方面的教学和理论的研究。本文编校：杨瑞华

第3期 赵建武：单相SPWM逆变电源仿真设计

VRRM>350V (4)

最大允许的均方根正向电流IFrms

395

IFrms=

二极管的额定电流为

π

IFR=1.57IFR (5) 2

IFR>

Imax9.09

==5.79A (6) 1.571.57

1.2 并联电容的选取[3]

在功率因数为1的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为

Vd3502

==61.25Ω (7) RL=

2000P

周期为

2

T=1/f=1/50=0.02s (8)

则电容为

C2=4×T/RL=

(9)

(1) 主电路中4个开关器件T1到T4的驱动信号VG1、VG2、VG3、VG4由上图生成。图2中的A、B为比较器。T1、T2的驱动信号VG1、VG2由正弦波Vr和三角波Vc的瞬时值相比较确定；T3、T4的驱动信号VG3、VG4由瞬时值Vr、Vc之和Vr+Vc的正负值确定。

其中，Vr=Vrmsin ωt=Vrmsin 2πfrt=Vrmsin(2πt/Tr)，被称为正弦参考电压，其幅值为Vrm，频率fr=1/Tr，Tr为其周期；三角波Vc被称为高频三角载波，其最大值为±Vcm，频率为fc。三角波与正弦波频率比值称为载波比N=fc/fr。正弦波幅值之比值勤称为调制比M=Vrm/Vcm。由此图可知正弦波与三角波的瞬时值决定了4个开关管的驱动信号及其通、断状态。

(2)载波比N和调制比M的选择 ①载波比N的选择

对于本例，选取N=200即可。 ②调制比M的选择 根据式(12)，可得

M=

220×2220×2

==0.88 (13) VD350

4×0.02/61.25=1.31×10F

1.3 L、C滤波器的设计

−3

最低次谐波为2p-1次。因此，最低次谐波的频率

选取正弦波的幅值Vrm=5V，则三角波幅值为

Vcm=5.625 V

(3)死区时间设置

一般取死区时间为开关时间的2倍[4]，可取2 µs。

f=(2×200−1)×50=19950Hz (10)

以选1/10为例，选滤波电感为1mH，则电容为

11

)2=×(

L2×π×1995 11

×=6.36µF−3

1×10157.13×106C=

3 OrCAD仿真验证

3.1 OrCAD的仿真[5-6]

(1)控制电路的设置

设置三角波和正弦波的幅值和周期：三角波幅

值为5.625 V，周期为0.000 1 s；正弦波幅值为5 V，周期为0.2 s。然后按照图2的方式来生成开关管的驱动信号。

一般来说，开关管的开通信号为+15V，关断信号为-5V。可以先比较三角波与正弦波，然后通过受控源对比较的信号放大，来驱动开关管。驱动电路如图3。

图3中，s1和s2为软限幅器，E1、E2、E3、E4为受控源。软限幅器是利用一个规格化的双曲正切函数实现的。如图4，可以看出，软限幅器的输出信号中电平转换的地方利用光滑的曲线进行过渡， 这对于避免OrCAD软件计算中出现的不收敛的问题是至关重要的。

2 开关管驱动信号的形成

单极性倍频正弦脉冲宽度调制方法的驱动信号形成电路如图2。 正弦波 Vr A + VG1，T1

三角波 Vc -1 VG2，T2

B + VG3，T3

VG4，T4-1 图2 SPWM驱动信号形成电路

Fig.2 circuit generated by SPWM driving signals

396

VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 50 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第27卷

S1 15 V2 E1 -15 1kT1IN+ OUT+ IN- OUT- EVALUE if(V(%IN+)>1.0,V( %IN+),-5)E2 T2IN+ OUT+ IN- OUT- EVALUE if(V(%IN+)<-1.0,-V( %IN+),-5)E3 0-15

T3IN+ OUT+ IN- OUT- EVALUE if(V(%IN+)<-1.0,-V( %IN+),-5)E4 T4IN+ OUT+ IN- OUT- EVALUE

if(V(%IN+)>1.0,V( %IN+),-5)

图3 PWM驱动信号生成电路 Fig..3 special curve of soft limiter

电压/V V1 V1 = -5.625 V2 = 5.625 TD = 0 TR = 0.000049 TF = 0.000049 PW = 0.000001 PER = 0.0001 S2 15 1k 受控源连接开关管前接一个20Ω的电阻，以防止电源直接连结IGBT的门极和发射极。因为门极和发射极可以等效为一个电容，直接连结可能产生仿真的错误。

400

200 0

-200

-4002016 12 840

t/ ms

图6 开环系统未经滤波器的输出电压波形 Fig.6 output voltage waves of open-loop system

not passing wave filter

1.51.5 11.0 0.50.5 0 -0.5 -0.503.2 开环控制的仿真

直接把控制信号加在主电路上而不加入反馈

环节，则是SPWM开环逆变系统。

开环系统的没经过LC滤波的一个周期的输出为经过LC滤波器后，一周期的输出电压波形见图7。

从图7可以看出，输出正弦波的幅值为290 V与期望有20几伏的差距。原因是滤波器的电阻上存在压降，开关管也有压降。而且，死区时间的设 定也会使输出电压与期望值产生误差。 400 200 0 -200

16 4812 20 -4000

t/ ms

-1-1.0 -1.5 -1.5-2-1012-2 -1 0 1 2图4软限幅器的特性曲线 Fig.4 special curve of soft limiter

如图4，用软限幅器和受控源的联合使用来完成死区时间的设置：软限幅器的输出信号中电平转换的地方利用光滑的曲线进行过渡，也就是说，电压有一个上升时间，同时，软限幅器的增益设为1 000，也就是说它同时有放大的作用。而受控源设置为当输入大于1 V时输出为15 V，而不是输入过零时输出为15 V，这样就产生了一个死区时间，以免产生逆变桥的直通。

半周期内，T1管的驱动信号如图5。 15 10

5 0 -5

108 6 4 0 2

t/ ms

电压/V 电压/V

图7 开环系统滤波后输出电压波形

Fig.7 output voltage waves of open-loop system

passing wave filter

3.3 闭环控制的仿真

如图8，用受控源对输出电压进行采样，然后经过PID调节器控制正弦参考波的幅值。

图5 T1的驱动信号 Fig.5 driving signal of T1

第3期 赵建武：单相SPWM逆变电源仿真设计

+-+-397

E1-13.515.49VOFF = 0VAMPL = 5FREQ = 50130000v0d/dt0.0008

1100800400

电压/mV 0 50

100

150 200 f / Hz

250 300338

图10 谐波的傅里叶变换

Fig.10 discrete fourier transform of harmonic waves

图8 反馈环节与误差放大器

Fig.8 feedback link and the error amplifier

闭环系统的输出电压波形为 400

200

0

-200

-400

0 8 12 4

t/ ms

图9 闭环系统输出电压波形

4 结 论

采用SPWM脉宽调制技术的电路，闭环SPWM逆变系统输出没有稳态误差，有很好的输出波形，输出电压的THD很小，是稳定的系统，有很好的工作特性。 参考文献:

16

20

[1] 刘凤君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社,2002.

[2] 陈 坚.电力电子学――电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教

育出版社,2002.

[3] 应建平,林渭勋,黄敏超.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版

社,2003.

[4] 杨立永,李华德,王久和．基于逆系统理论的感应电动机控制策略[J].

辽宁工程技术大学学报,2005,24(05):706-708.

[5] 贾新章,武岳山.电子电路CAD技术――基于OrCAD 9.2[M].西安：西

安电子科技大学,2002.

[6] 陈 东.OrCAD电路设计[M].北京：国防工业出版社,2004.

电压/V Fig.9 output voltage waves of close-loop system

从图9可知，输出电压幅值与期望值相同。将该波形减去幅值为311 V的基波后，经傅里叶变换可得。

由图10可以看出，该输出电压波形的谐波很小，即THD很小。