前言

通常把直流電變成交流電的過(guò)程叫做逆變，完成逆變功能的電路稱為逆變電路。本文主要介紹全橋逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、逆變?cè)砑翱刂品椒?、單相逆變的軟件?shí)現(xiàn)思路，并結(jié)合simulink、proteus仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

一、單相全橋逆變器組成原理

1.全橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

逆變電路工作時(shí)，單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制時(shí)主要有以下兩種工作狀態(tài)：

在單極倍頻調(diào)制時(shí)，還存在如下兩工作狀態(tài)

2.單相逆變器的SPWM調(diào)制方式

(1)SPWM調(diào)制的基本原理

如果對(duì)于交流電，如50HZ的正弦波，我們把它看成是有許許多多的呈階梯狀的直流信號(hào)組成 ，這樣我們就可以用許許多多的寬窄不等的脈沖來(lái)等效這個(gè)正弦波了，從而實(shí)現(xiàn)了功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如果在一個(gè)正弦波周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)比較多，就能精度比較高地通過(guò) LC濾波網(wǎng)絡(luò)還原成正弦波，這就是SPWM調(diào)制的基本原理。

(2)SPWM調(diào)制波的實(shí)現(xiàn)方式

SPWM調(diào)制波實(shí)現(xiàn)方式：在模擬電路里，我們常常用調(diào)制基波（正弦波）和載波 （三角波或鋸齒波）的幅值來(lái)做比較，幅值高時(shí)就輸出高電平或低電平產(chǎn)生SPWM調(diào)制波，具體實(shí)現(xiàn)方法就是把基波和載波分別輸入到比較器的正反相輸入端

比較器輸出的是占空比變化的矩形波，通過(guò)控制全橋電路4個(gè)功率管的導(dǎo)通順序以及后級(jí)的LC濾波可得到正弦波形。

(3)單相全橋逆變器調(diào)制方式

單相全橋逆變器中根據(jù)調(diào)制策略不同分為單極性調(diào)制、雙極性調(diào)制和單極性倍頻調(diào)制。

全橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

①單極性調(diào)制

單極性調(diào)制原理

功率管導(dǎo)通時(shí)序圖

一般情況下，功率管驅(qū)動(dòng)芯片上管和下管是互補(bǔ)導(dǎo)通的，因此導(dǎo)通時(shí)序也可如下圖：

從上面的驅(qū)動(dòng)時(shí)序可以看出典型的單極性調(diào)制有如下特點(diǎn):高頻臂Q1,Q2兩個(gè)功率管工作在高頻狀態(tài)，低頻臂Q3,Q4兩個(gè)功率管工作在低頻狀態(tài)，只有一半的功率管有開(kāi)關(guān)損耗，和其它4個(gè)功率管都工作在高頻狀態(tài)的調(diào)制方式相比，總的開(kāi)關(guān)損耗只有一半。由此可以知道，高頻臂Q1,Q2兩個(gè)功率管工作在高頻狀態(tài)，損耗比低頻臂Q3,Q4兩個(gè)功率管工作在低頻狀態(tài)要高，因發(fā)熱比較大，壽命要短。

②雙極性調(diào)制

雙極性調(diào)制原理

功率管導(dǎo)通時(shí)序圖

雙極性可以看出，SPWM調(diào)制4個(gè)功率管都工作在高頻載波頻率，因而開(kāi)關(guān)損耗比較大。但其實(shí)現(xiàn)方式比較容易，大部分半橋功率管驅(qū)動(dòng)芯片自帶上下管互補(bǔ)導(dǎo)通功能，所以只要給左右橋臂分別通以一對(duì)互補(bǔ)的SPWM信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)。
③單極倍頻調(diào)制

單極性倍頻調(diào)制的原理和雙極性調(diào)制有類似的地方，只是全橋輸出在沒(méi)有濾波之前的波形和功率管的工作頻率變了。它來(lái)用采用正弦波和兩路互為反相三角波相比較的方式，當(dāng)然也可以是兩路互為反相的正弦波和三角波相比較。

單極倍頻調(diào)制

功率管導(dǎo)通時(shí)序圖

從UAB的波形可以看出，兩路雙極性調(diào)制經(jīng)過(guò)全橋功率管的疊加之后最終的UAB波形變成了單極性，而且頻率加倍，這就是這種調(diào)制方式稱為單極性倍頻調(diào)制的原因。這種調(diào)制方式波形完美，對(duì)各種負(fù)載的適應(yīng)性好，因?yàn)楸额l輸出，LC的體積和成本可以比較小，缺點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在高頻狀態(tài),因而開(kāi)關(guān)損耗比較大。

二、單相全橋逆變器仿真

仿真采用雙極性調(diào)制方式，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方式較其它兩調(diào)制方式種更為簡(jiǎn)單。

1.SPWM調(diào)制波仿真

要實(shí)現(xiàn)逆變，首先要有SPWM波形，SPWM波形正弦波和三角波通過(guò)比較器得到。在similink中仿真模型如下：

示波器觀測(cè)得到：

黃色部分是得到的SPWM調(diào)制波形，占空比隨正弦幅值變化，所以仿真是成功的。

2.全橋逆變仿真

總體仿真模型如下：

調(diào)制產(chǎn)生的路互補(bǔ)SPWM波形為SPWM1和SPWM2，兩路調(diào)制波又分別連接同側(cè)橋臂的上下管，模擬半橋驅(qū)動(dòng)芯片的上下管互補(bǔ)。

在逆變器中通常采用濾波器來(lái)消除逆變器輸出電流諧波，濾波器通常存在三種形式：L 濾波器、LC 濾波器和 LCL 濾波器。本文在此采用 LC 濾波器，LC 濾波器是一種二階濾波器，其濾波效果比 L 型濾波器好，并且在設(shè)計(jì)和控制上不像LCL 存在固有諧振問(wèn)題，更加易于穩(wěn)定。此處逆變器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 10k Hz，因此選取 LC 諧振頻率為：

式中：

為基波頻率；

為開(kāi)關(guān)頻率；

為 LC 濾波器的諧振頻率

在濾波器電感設(shè)計(jì)中，當(dāng)電感選取較大時(shí)，能夠有效的抑制電流諧波，但是會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，導(dǎo)致電流閉環(huán)跟蹤緩慢；當(dāng)電感選取較小時(shí)，電流閉環(huán)控制跟蹤性能較好，但是濾除電流諧波能力較弱，因此在電感設(shè)計(jì)中通常需要折衷考慮兩個(gè)方面，電感通常選取幾mH，電容十幾或幾十uf，具體數(shù)值需要結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出來(lái)。

運(yùn)行仿真得到：

逆變波形為50HZ的正弦波

三、SPWM單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)

通常，逆變電路需要單片機(jī)參與進(jìn)行閉環(huán)控制，第一個(gè)問(wèn)題就是如何用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波形，下面介紹使用STM32產(chǎn)生SPWM波形。

設(shè)計(jì)目標(biāo)為載波10Khz，目標(biāo)正弦波形為50hz。主要思路是利用定時(shí)器產(chǎn)生10Khz的PWM波形，每個(gè)PWM周期改變一次占空比，從而模擬出SPWM波形。

因?yàn)闊o(wú)示波器和實(shí)物單片機(jī)，所以以下操作是基于proteus仿真出來(lái)的，實(shí)際原理一樣的。

1.CubeMX配置

①配置定時(shí)器及中斷

定時(shí)器使用高級(jí)定時(shí)器1，高級(jí)定時(shí)器帶互補(bǔ)輸出功能。由于我使用的是proteus仿真，單片機(jī)主頻設(shè)置為了8Mhz。因此定時(shí)器配置如下：

計(jì)數(shù)周期：8Mhz / 10Khz = 800 ，因此為800-1=799；72M主頻下同理計(jì)算

②開(kāi)啟定時(shí)器1更新中斷

2.SPWM正弦表數(shù)據(jù)生成

SPWM表格生成工具下載鏈接：點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)

周期點(diǎn)數(shù) ：10Khz / 50 Hz = 200 ，每個(gè)正弦波由200個(gè)調(diào)制PWM波形組成

3.Keil5代碼

①定義查表數(shù)據(jù)

②定時(shí)器初始化

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);  //開(kāi)啟定時(shí)器中斷HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1); //開(kāi)啟PWM輸出HAL_TIMEx_PWMN_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);  //開(kāi)啟互補(bǔ)PWM輸出

③中斷回調(diào)函數(shù)設(shè)置

主要功能是每次定時(shí)器溢出時(shí)，更新比較值，從而改變下一次PWM的占空比。

4.protues仿真觀測(cè)波形

仿真模型如下：

波形觀測(cè)如下：

黃色波形與藍(lán)色波形為調(diào)制SPWM波形，兩者電平互補(bǔ)，粉色波形為黃色波形的單位面積等效。實(shí)際要得到粉色50HZ正弦波需要將SPWM通過(guò)全橋電路和LC濾波后得到。

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