单相全桥逆变原理及仿真实验

news2024/11/14 15:21:25

前言

一、单相全桥逆变器组成原理

1.全桥逆变电路拓扑结构

2.单相逆变器的SPWM调制方式

二、单相全桥逆变器仿真

1.SPWM调制波仿真

2.全桥逆变仿真

三、SPWM单片机程序实现

1.CubeMX配置

2.SPWM正弦表数据生成

3.Keil5代码

4.protues仿真观测波形

前言

通常把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。本文主要介绍全桥逆变电路的拓扑结构、逆变原理及控制方法、单相逆变的软件实现思路，并结合simulink、proteus仿真软件进行仿真验证。

一、单相全桥逆变器组成原理

1.全桥逆变电路拓扑结构

逆变电路工作时，单极性调制和双极性调制时主要有以下两种工作状态：

在单极倍频调制时，还存在如下两工作状态

2.单相逆变器的SPWM调制方式

(1)SPWM调制的基本原理

如果对于交流电，如50HZ的正弦波，我们把它看成是有许许多多的呈阶梯状的直流信号组成，这样我们就可以用许许多多的宽窄不等的脉冲来等效这个正弦波了，从而实现了功率管工作在开关状态。如果在一个正弦波周期内的脉冲个数比较多，就能精度比较高地通过 LC滤波网络还原成正弦波，这就是SPWM调制的基本原理。

(2)SPWM调制波的实现方式

SPWM调制波实现方式：在模拟电路里，我们常常用调制基波（正弦波）和载波（三角波或锯齿波）的幅值来做比较，幅值高时就输出高电平或低电平产生SPWM调制波，具体实现方法就是把基波和载波分别输入到比较器的正反相输入端

比较器输出的是占空比变化的矩形波，通过控制全桥电路4个功率管的导通顺序以及后级的LC滤波可得到正弦波形。

(3)单相全桥逆变器调制方式

单相全桥逆变器中根据调制策略不同分为单极性调制、双极性调制和单极性倍频调制。

①单极性调制

一般情况下，功率管驱动芯片上管和下管是互补导通的，因此导通时序也可如下图：

从上面的驱动时序可以看出典型的单极性调制有如下特点:高频臂Q1,Q2两个功率管工作在高频状态，低频臂Q3,Q4两个功率管工作在低频状态，只有一半的功率管有开关损耗，和其它4个功率管都工作在高频状态的调制方式相比，总的开关损耗只有一半。由此可以知道，高频臂Q1,Q2两个功率管工作在高频状态，损耗比低频臂Q3,Q4两个功率管工作在低频状态要高，因发热比较大，寿命要短。

②双极性调制

双极性可以看出，SPWM调制4个功率管都工作在高频载波频率，因而开关损耗比较大。但其实现方式比较容易，大部分半桥功率管驱动芯片自带上下管互补导通功能，所以只要给左右桥臂分别通以一对互补的SPWM信号即可实现。
③单极倍频调制

单极性倍频调制的原理和双极性调制有类似的地方，只是全桥输出在没有滤波之前的波形和功率管的工作频率变了。它来用采用正弦波和两路互为反相三角波相比较的方式，当然也可以是两路互为反相的正弦波和三角波相比较。

从UAB的波形可以看出，两路双极性调制经过全桥功率管的叠加之后最终的UAB波形变成了单极性，而且频率加倍，这就是这种调制方式称为单极性倍频调制的原因。这种调制方式波形完美，对各种负载的适应性好，因为倍频输出，LC的体积和成本可以比较小，缺点是4个功率管都工作在高频状态,因而开关损耗比较大。

二、单相全桥逆变器仿真

仿真采用双极性调制方式，因为实现方式较其它两调制方式种更为简单。

1.SPWM调制波仿真

要实现逆变，首先要有SPWM波形，SPWM波形正弦波和三角波通过比较器得到。在similink中仿真模型如下：

示波器观测得到：

黄色部分是得到的SPWM调制波形，占空比随正弦幅值变化，所以仿真是成功的。

2.全桥逆变仿真

总体仿真模型如下：

调制产生的路互补SPWM波形为SPWM1和SPWM2，两路调制波又分别连接同侧桥臂的上下管，模拟半桥驱动芯片的上下管互补。

在逆变器中通常采用滤波器来消除逆变器输出电流谐波，滤波器通常存在三种形式：L 滤波器、LC 滤波器和 LCL 滤波器。本文在此采用 LC 滤波器，LC 滤波器是一种二阶滤波器，其滤波效果比 L 型滤波器好，并且在设计和控制上不像LCL 存在固有谐振问题，更加易于稳定。此处逆变器的开关频率设置为 10k Hz，因此选取 LC 谐振频率为：

$10f_{c} < f_{r} <\frac{1}{10}f_{s}$ $f_{r}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$

式中： $f_{c}$ 为基波频率； $f_{s}$ 为开关频率； $f_{r}$ 为 LC 滤波器的谐振频率

在滤波器电感设计中，当电感选取较大时，能够有效的抑制电流谐波，但是会影响系统的动态特性，导致电流闭环跟踪缓慢；当电感选取较小时，电流闭环控制跟踪性能较好，但是滤除电流谐波能力较弱，因此在电感设计中通常需要折衷考虑两个方面，电感通常选取几mH，电容十几或几十uf，具体数值需要结合设计参数计算出来。

运行仿真得到：

逆变波形为50HZ的正弦波

三、SPWM单片机程序实现

通常，逆变电路需要单片机参与进行闭环控制，第一个问题就是如何用单片机产生SPWM波形，下面介绍使用STM32产生SPWM波形。

设计目标为载波10Khz，目标正弦波形为50hz。主要思路是利用定时器产生10Khz的PWM波形，每个PWM周期改变一次占空比，从而模拟出SPWM波形。

因为无示波器和实物单片机，所以以下操作是基于proteus仿真出来的，实际原理一样的。

1.CubeMX配置

①配置定时器及中断

定时器使用高级定时器1，高级定时器带互补输出功能。由于我使用的是proteus仿真，单片机主频设置为了8Mhz。因此定时器配置如下：

计数周期：8Mhz / 10Khz = 800 ，因此为800-1=799；72M主频下同理计算

②开启定时器1更新中断

2.SPWM正弦表数据生成

SPWM表格生成工具下载链接：点击跳转

周期点数：10Khz / 50 Hz = 200 ，每个正弦波由200个调制PWM波形组成

3.Keil5代码

①定义查表数据

#define SPWM_N 200
uint16_t SPWM_Cnt = 0;
uint16_t SPWM_List[SPWM_N] = {
400,412,425,437,450,462,474,487,499,511,523,535,547,558,570,581,
592,603,614,624,635,645,654,664,673,682,691,700,708,716,723,730,
737,744,750,756,761,767,771,776,780,784,787,790,792,795,796,798,
799,799,800,799,799,798,796,795,792,790,787,784,780,776,771,767,
761,756,750,744,737,730,723,716,708,700,691,682,673,664,654,645,
635,624,614,603,592,581,570,558,547,535,523,511,499,487,474,462,
450,437,425,412,400,387,374,362,349,337,325,312,300,288,276,264,
252,241,229,218,207,196,185,175,164,154,145,135,126,117,108,99,
91,83,76,69,62,55,49,43,38,32,28,23,19,15,12,9,7,4,3,1,0,0,0,0,0,
1,3,4,7,9,12,15,19,23,28,32,38,43,49,55,62,69,76,83,91,99,108,117,
126,135,145,154,164,175,185,196,207,218,229,241,252,264,276,288,
300,312,325,337,349,362,374,387
};

②定时器初始化

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);  //开启定时器中断
HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1); //开启PWM输出
HAL_TIMEx_PWMN_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);  //开启互补PWM输出

③中断回调函数设置

主要功能是每次定时器溢出时，更新比较值，从而改变下一次PWM的占空比。

  void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
  {
    if(htim == &htim1)
  {
    TIM1->CCR1 = SPWM_List[SPWM_Cnt++];
    if(SPWM_Cnt >= SPWM_N)
    {
      SPWM_Cnt = 0;
    }
  }   
  }