单相有源逆变器模型构建与仿真研究.doc
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陕西科技大学
毕业设计（论文）
题目：
单相有源逆变器
模型构建与仿真研究
系别：
电子信息与控制工程系
专业班级：
供配电105班
姓名：
张小伟
学号：
20100444
指导教师：
王芳云
职称：
讲师
二〇一四年五月十日
摘要
在科学技术飞速发展的今天，科学技术发展必须的要依靠先进技术，才能更好的为人类服务。
移动电话、笔记本电脑、平板电脑和小型高科技电子产品越来越多的被人们使用。
各类新能源的出现，不断地推动了逆变技术的发展。
国家现在也在大力发展这一门技术，国家以后更多需要这方面的人才，为国家做出自己应有的价值。
展望未来，逆变技术会发展得越来越壮大。
我们应该好好的学习和掌握这一门技术。
本文探讨了单相有源逆变器的设计， 先对逆变系统的结构进行了了解，通过比较分析几种结构常用的结构对逆变电源原理有了初步的认识。
在方案的选择上我们采用了直流升压斩波电路作为升压环节，采用逆变环节采用了全桥逆变电路。
我们在MATLAB中搭建仿真模型，模拟现实电路。
最后，设计所做的调试和仿真的结果，验证了本文的逆变思路的可行性。
而且电路结构紧凑，电路简单，控制方便，在某种程度上减低了成本而且可靠性也得到了提高。
关键词：
直流升压全桥逆变Matlab仿真
Abstract
Intoday'srapiddevelopmentofscienceandtechnology,scienceandtechnologydevelopmentmustrelyonadvancedtechnology,inordertobetterservehumanity.tabletPCsandsmallhigh-techelectronicproductsmoreandmoreusedbypeople.Meanwhile,Theemergenceofnewtypesofenergy,Constantlypromotethedevelopmentofinvertertechnology.Countriesarenowalsovigorouslydevelopthisgatetechnology,afterthecountryneedsmoreexpertiseinthisarea,andmakeitsduevaluetothecountry.Lookingahead,theinvertertechnologywilldevelopmoreandmorestronger.Weshouldbegoodtolearnandmasterthisgatetechnology.
Thispaperdiscussesthesingle-phaseactiveinverterdesign,thestructureofthefirstinvertersystemwereunderstoodbycomparingthestructuralanalysisofthestructureofseveralcommonprinciplesforpowerinvertershaveapreliminaryunderstanding.InourselectionschemeusingDCboostchoppercircuitasaboostlinksusinglinkinverterwithafull-bridgeinvertercircuit.WebuildsimulationmodelsinMATLAB,simulaterealcircuit.Finally,thedesignandsimulationdebuggingresultsdonetoverifythefeasibilityoftheinverterideaofthisarticle.Andthecircuitstructureiscompact,circuitissimple,easytocontrol,inawaytoreducethecostandreliabilityhavealsobeenimproved.
KeyWords:
DCboost，full-bridgeinverter，Matlabsimulation
目录
1绪论 1
1.1逆变器的定义 1
1.2逆变电源的用途 1
1.3逆变器的分类 2
1.4正弦波逆变器与方波逆变器 2
1.5逆变器的效率 2
1.6二极管在逆变器中的应用 3
2 逆变电源的系统分析 4
2.1逆变技术的分类 4
2.2逆变系统结构的比较 4
2.2.1工频变压器形式电路 5
2.2.2高频变压器形式电路 5
2.2.3无变压器形式电路 6
2.3逆变系统升压环节的比较和分析 6
2.3.1正激式 6
2.3.2反激式 7
2.3.3半桥式 7
2.3.4全桥式 8
2.3.5推挽式逆变 8
2.3.6直流升压斩波电路 9
2.4逆变系统逆变环节的比较和分析 11
2.4.1推挽式逆变电路 11
2.4.2半桥逆变电路 12
2.4.3全桥逆变电路 13
3单相逆变电源的模型仿真 15
3.1MATLAB的基本介绍 15
3.2Simulink的基本介绍 15
3.3逆变电源的原理 15
3.4逆变系统电路的仿真 16
3.4.1建立仿真模型 16
3.4.2模型的仿真结果 18
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
1绪论
1.1逆变器的定义
DC-AC的变换是指用逆变器将直流电变换成交流电，这个过程需要变换频率，电压并且是可以调节的交流电， 而这个变换的过程所涉及到的电路，被称为逆变电路。
例如：
采用晶闸管的电力汽车，下坡时，电动机变成发电机操作，电力汽车的动能转变成电能，反回电源中。
又例如，转动的直流电动机迅速制动时，会使电动机变成发电机运行，使电动机的动能转化成电能，反送回到电网中。
逆变电路就是把直流电转化成交流电的电路。
在一定条件下，逆变电路又可以转化成整流电路。
在逆变时如果交流侧接有电源或者和电网连接就是有源逆变；相反的，无源逆变就是交流侧没有和电源连接也没有和电网连接而是直接接到负载上。
逆变电路经常和变频技术结合起来用，交流变频调速就是利用这个原理。
1.2逆变电源的用途
逆变电源也称逆变器，是指将低压的直流电逆变成高压（或低压）的交流电的设备。
在没有交流电的环境，可以用蓄电池作为电源，输出交流电给交流用电设备提供可靠的电能。
比如说12V的蓄电池是不能让电灯、电视或电脑等用电器工作的，然而让该蓄电池通过逆变器转成220V交流电，再接入到这些用电器中，它们就可以正常地工作了。
通常逆变器都自带有电池，在外面卖的UPS电源就是自带蓄电池的。
但是电池容量很小，只能为计算机提供几分钟到十几分钟电能。
主要用在突然断电的时候，为计算机提供应急的电能。
好让你有足够的时间把未保存的文件保存下来，并且能够正常的关掉计算机，保护计算机数据。
它的主要应用场所：
1．在车、船和飞机上，给交流用电设备供电；
2．在没有电源的地方，和其它发电设备（太阳能、水能以及各种燃料发电机等）一起工作，为用户提供交流电能；
3．用做通信、电力系统的不间断电源UPS；
4．用做消防应急电源EPS；
5．利用便携电源，提供临时交流电能等。
1.3逆变器的分类
工业一级的逆变器通常都是正弦波输出，与我们日常使用的交流电一样，如电力逆变器，通讯逆变器。
另外还有方波输出的逆变器，主要用于民用场合，如车载逆变器。
这些逆变器都是一些小功率的逆变器。
1KVA以上逆变器的通常都做成了正弦波逆变器。
我们按照技术领域把正弦波逆变器又分成工频和高频的，工频逆变器技术性能指标比较好，过负载能力很强。
但是体积庞大、质量太沉重。
高频逆变器是这些年出现在市场上的新成员。
它的特点是效率高，技术指标优越，尤其是他体积较小、质量又轻、功率密度很高。
这些优点都是现代电力电子的发展方向。
目前高频逆变器已经占领了中小功率逆变器的市场。
现在的技术发展很快，从价格方面考虑的话，高频逆变器后劲优势非常的大。
逆变器按照输出分为单相和三相，为了适应不同的负载与市电用一样的指标。
1.4正弦波逆变器与方波逆变器
正弦波逆变器输出的交流电能是跟我们家里使用的电能相同甚至质量更好，因此它没有电力系统中的电磁干扰污染。
方波逆变器输出电能波形是方波，质量相对较差。
他的电能是阶跃性的，从正的最大直接跳到负的最大，这个过程几乎是同时的。
这样的交流电会对逆变器和负载造成剧烈的影响。
同时，其负载能力差，仅为额定负载的百分之四十到百分之六十，不能带感性负载。
如果方波电路携带的三次谐波分量流过一个很大的负载就会造成负载容性电流变大，因此不能都带大负载。
过载严重时，会损坏负载的电源滤波电容。
现在准正弦波逆变器可以战胜这些缺点，他不是从正向最大值直接跳到负向最大值，而是有一个缓冲。
这样，使用效果就有很大的改善。
但是准正弦波逆变器的波形还是属于方波，连续性没有得到改善还是很差。
综上所诉，正弦波逆变器输出的交流电质量高，可以带各种类型的负载，但是成本和技术的要求都是很高的。
准正弦波逆变器基本上可以满足广大用户的用电需求，而且还具有噪声低，效率高，价格适中等优点，因此成为市场主流产品。
制造方波逆变器电路采用的技术太陈旧了，这种落后的技术将逐步退出市场。
1.5逆变器的效率
逆变器在工作中也会消耗一部分电能。
所以，它的输出功率要小于它的输入功率。
逆变器的效率就是逆变器输入功率与输出功率的百分比。
例如，一台逆变器输出功率是90W交流电，输入功率是100W直流电，那么，逆变器的工作效率就是90％。
1.6二极管在逆变器中的应用
节能与高效率是家电应用的首要问题。
三相无刷直流电机由于其体积小、效率高的特点，广泛应用于家用电器设备和很多应用中。
三相无刷直流电机的可靠性被提高了，因为在技术生产上，人们用上了电子换向器。
标准的三相功率级（powerstage）被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。
功率级产生一个电场，这个电场必须保持与转子磁场的夹角接近90度，这样才能使电机很好地工作。
六个定子磁场向量由六步序列控制产生，这六个矢量只能在给定的一个转子位置下改变。
霍尔效应传感器扫描转子位置。
采用六个开关电源根据需要分别切换MOSFET，获得六个步进电流给转子。
下面介绍一个常用的切换模式：
图1
Q2、Q4和Q6，转换成低频，Q1、Q3和Q5，转换成高频。
要产生功率级就需要把一个低频MOSFET转为开状态，另一个高频高频MOSFET转为切换状态。
步骤一：
功率级同时给两个相位通电，而对第三个相位断电。
假设通电相位为L1和L2，L3为断电。
这时，Q1和Q2都是导通运行状态，电流回路如图1上蓝色的线，流过Q1、L1、L2和Q4。
步骤二：
Q1截止。
电感会产生一个额外的电压，直到D2被直接偏置，且会有续流电流流过，如图1上绿色的线流过D2、L1、L2和Q4。
步骤三：
Q1导通，D2被反向偏置。
Q1的总电流等于电源电流加上D2上的恢复电流。
当Q1导通时，D2被反向偏置，N区有少量载流子跑到P+体区，反过来也是一样。
载流子快速地移动在二极管产生大量的电流流过，从漏极到源极。
面对通过Q2和Q1的尖峰电流，电感L1表现为高阻抗。
Q1上的额外尖峰电流会造成导通期间的开关损耗变大。
2逆变电源的系统分析
2.1逆变技术的分类
现在的逆变技术，可以根据不同的形式分类，主要分为以下几类：
1、按输出的频率，可分为高频（十几千赫至几兆赫）、中频（400赫至十几千赫）、和工频逆变（50至60Hz）。
2、按照输出的相数，可分为多相、三相和单相逆变。
3、按照输出能量的去向，可分为无源和有源逆变。
4、根据逆变器主电路，可分为推挽式逆变、单端式逆变、半桥式和全桥式逆变。
5、按照逆变主开关类型，可分为晶体管逆变、晶闸管逆变和场效应管逆变以及IGBT逆变等等。
6、按照输出稳定的参量，可分为电流型和电压型逆变。
7、按照输出波形，可分为正弦波输出和非正弦波输出逆变。
8、按照控制方式，可分为调脉宽式（PWM）和调频式（PFM）。
9、按照工作模式的切换，可分为定频软开关式、定频硬开关式和谐振式。
2.2逆变系统结构的比较
目前常用的逆变系统结构有工频变压器形式、高频变压器形和无变压器形式电路。
2.2.1工频变压器形式电路
电路是一个单一的结构（dc-ac），如图2-1所示，直流电压逆变成交流电压，其有效值相等。
再通过工频变压器把转换出的交流电压提升为额定的交流电压（比如220V）。
工频变压器形式电路的工作效率通常都能在90%以上，可靠性高、抗短路能力强。
工频变压器形式电路占用空间大，质量重，造价费用也比价高。
而且响应速度慢，输出波形不稳定，带负载能力差。
蓄电池
负载
滤波环节
工频逆变
工频升压
图2-1工频变压器形式
2.2.2高频变压器形式电路
高频变压器电路为三层结构（直流-交流-直流-交流），如图2-2所示，主电路分为两个部分,高频升压和工频逆变，电路系统比较复杂。
（1）高频升压部分（直流-交流-直流）：
第一步将直流电能逆变成高频交流电能，不改变它的有效值。
然后将输出的高频交流电压变压升高，最后经过整流滤波消除杂波成分，就得到一个稳定的高压直流电压。
（2）工频逆变部分（直流-交流）：
采用工频逆变电路把高压直流电能进行整流和滤波转换成交流电压220V或380V
这个系统的逆变效率比较高，一般都能达到百分之九十以上。
因为系统采用高频变压器，所以系统的占用体积小，重量轻，产生的噪声也明显下降，但是该系统电路也比较复杂。
蓄电池
负载
滤波环节
高频逆变
逆变
整流
高频升压
直流升压DC-DC环节
逆变DC-AC环节
图2-2高频变压器形式
2.2.3无变压器形式电路
电路是一个两层结构（直流-直流-交流），如图2-3所示，第一步采用非隔离变化把直流电压升高成高压直流电压，第二步采用工频逆变把高压直流电压逆变成交流电压。
因为不需要变压器隔离输入端和输出端，所以系统具有占用体积小，重量轻，价格低，效率高和系统简单的特点。
也是因为没有进行隔离，因此会有很多潜在不安全隐患。
为了保护和防止干扰，必须采取各种防护措施，运行维护麻烦。
蓄电池
负载
升压
滤波环节
工频逆变
图2-3无变压器形式
2.3逆变系统升压环节的比较和分析
2.3.1正激式
如图2-4（a），电路结构简单，添加一个消磁线圈便可实现去磁。
这是常用的中小功率变压器设计思路。
但是该电路也是存在缺陷的，铁心单向磁化，利用率非常低，2倍的电压直接施加到主功率管上，因此这种电路只能用于低压电路中。
2.3.2反激式
如图2-4（b），电路的形式与正激式电路差不多，主功率管承受电压相同，但是变压器连接却是不一样的。
输出端看，反激式可以看成是一个电流源，所以不能够开路。
22
图2-4（a）正激式变换
图2-4（b）反激式变换
2.3.3半桥式
如图2-5（a），铁芯中并没有产生什么直流偏磁现象，变压器工作在两象限，只有电源要施加电压到功率管上，这种电路人们一般都是把它用在高压功率场合。
2.3.4全桥式
如图2-5（b）,铁芯利用率很高，适用于软开关工作模式，只有电源电压施加到功率管上。
这种电路的功率元件非常多，并且有直通现象产生，所以这种电路人们都是把它用在大功率场所。
图2-5（a）半桥式变换
图2-5（b）全桥式变换
2.3.5推挽式逆变
如图2-6，推挽式逆变电路结构简单，可以把它看成是对称排列的两个单端正激式逆变器，因此这种电路中的变压器铁芯磁化是可以双向进行的。
使用同一个变压器铁芯型号，在推挽式电路中输出的功率要比正激式电路大很多。
推挽式逆变电路的缺陷也是存在这里，如果电路没有严格对称，就会造成变压器铁芯直流偏磁饱和，同时出现漏感。
这样的后果就会造成主功率管要承受2倍以上的电压，所以这种电路人们一般都是在低压电流场合中使用。
图2-6推挽变换
2.3.6直流升压斩波电路
如图2-7所示，这种电路的结构简单明了，控制方式也非常简单。
这个电路的优势就是采用了直流斩波器，这个非常节能，比变阻器节约了25%左右的电能。
人们在使用直流斩波器进行调压时，还可以大幅度地抑制谐波电流的噪声。
图2-7直流升压斩波电路
通过综合比较方案，最终决定本次设计的升压环节采用直流升压斩波电路，下面对直流斩波电路的工作方式进行简要的分析。
电路中的开关装置可以根据需要来进行选择，其中采取二极管VD防止电力电容器放电。
该电路的工作原理可以分为三种模式，如图2-8所示的等效电路。
当电流连续时，该电路工作方式为模式一和模式二；当电流断续时，电路工作方式为模式一、模式二和模式三。
（a）模式一
（b）模式二（c）模式三
图2-8升压斩波电路等效电路
图2-9（a）为当电流连续时升压斩波电路的工作波形。
在t=时，V导通。
为导通时间，在这个时间里，电路在模式一方式下工作。
电路等效有两个回路构成。
在直流侧，电感电流按指数倍增大，由增大到。
这时V的电压为0，于是电感电压作为电源电压。
此时VD截止，电流为0，电感L储存着来自直流电源的电能，负载上的电流由C放电来提供。
在时刻，开关电器V关断。
电路工作在模式二，电源和电感给负载和电容器C供电。
，里面的称为升压比，我们通常把作为升压比的倒数,和的表达式为：
+=1，整理后的公式：
。
其中，占空比<1。
可见，该电路输出的平均电压大于输入直流电源电压，该电路具有一个升压功能，满足设计要求。
（a）电流连续（b）电流断续
图2-9升压斩波电路的波形
2.4逆变系统逆变环节的比较和分析
在单相逆变电路中，常用的逆变电路主要有推挽式逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路三种，下面对这三种逆变电路进行比较分析，确定本设计该选用哪种单相逆变单元。
2.4.1推挽式逆变电路
如图2-10，电路是有两个相反相位的驱动脉冲分别施加到Q1和Q2的基极，用来控制它们交替接通和断开。
令输入的直流电逆变成为高频的方波交流电再从变压器端输出。
当Q2接通，Q1断开，输入电压输送到变压器的原边线圈上。
因为变压器有两个匝数相同的绕组，所以在Q2上要施加2倍的电压（即2）。
当驱动脉冲结束后，两只开关管都处在断开位置，这时候端电压均为。
同样，当Q1导通，Q2截止，Q1就要承受两倍的电压。
图2-10推挽式逆变电路
2.4.2半桥逆变电路
如图2-11所示，该电路有两个桥臂，由反并联二极管和开关装置构成。
两个大电容接在电路的直流侧，这两个电容有一个连接点，这个连接点就是直流电源的中性点。
门信号Q1，Q2都是半个周期的正偏移，另一半周期反向偏移，而且构成相互互补的关系。
当Q1导通、Q2断开时，输出电流的方向和图2-11中的方向一致；当Q2导通、Q1断开时，输出电流方向和图2-11中的方向相反。
因此Q1和Q2的导通情况可以通过输出电流的方向来判断。
半桥逆变器结构相对简单，用更少的电源开关。
对主电路输出电压的幅度仅为/2。
装在相同的机组容量下，半桥逆变电路功率开关通过的额定电流要更大，是全桥逆变电路的两倍。
半桥逆变电路中的分压电容功能是很强的，它可以使电路具有很强的抗电压不平衡能力，提高了供电的可靠性。
它的优点是：
电路比较简单，使用的元件少，投入成本价格低。
这个电路在小功率的逆变电路中使用范围比较广。
图2-11半桥逆变电路
2.4.3全桥逆变电路
如图2-12，该图为单相全桥逆变电路，等效为两个半桥逆变电路，在大容量场合中应用比较广泛。
在输入相同的电压时，全桥逆变的输出电压是半桥逆变的2倍。
当我们让他输出相同功率时，全桥逆变的电流只是半桥逆变的二分之一。
使用在大功率场合时，这个特点可以减少电路并联器件的数量。
图2-12全桥逆变电路
通过比较，我们最终决定采用单相全桥逆变电路作为本次设计的升压环节，下面我们就简要的描述一下单相全桥逆变电路的工作方式和工作波形输出。
全桥逆变电路是有四个桥臂的，我们把桥臂1和4组成一对，把桥臂2和3组成一对。
成对的两个桥臂是同时导通的，两对相差180度。
全桥逆变中的波形和半桥逆变中一样，是一个矩形波，全桥逆变的要比半桥逆变的在数值上大一倍，=。
其他条件相同时，全桥逆变的的波形也和半桥逆变的一样，全桥的电流幅值也是比半桥的高出一倍。
全桥是单相逆变系统中应用比较多的，下面我们对他的电压波形做定值计算。
矩形波u0展开成傅里叶级数为
（2-1）
式中，基波的幅值和基波的有效值分别为：
（2-2）
（2-3）
上面公式也适用于半桥电路，只需把换成/2。
这时要改变直流电压只能去改变输出电压的有效值。
带阻感负载时，我们还可以采用移相调压来改变输出电压。
波形如图2-13，其实这种方式就是改变输出电压脉冲的宽度来实现的。
IGBT的门信号是一个180度正向偏置，180度反向偏置，门信号和互补，和互补，不过的基极信号并不是和相差180°，而是至落后一个角度（0<<180°）。
即、的栅极信号不是分别和、的相位相同，而是前移180°－。
因此输出电压u0的波形就不再是正负各180°的矩形波，而是正负各为的矩形波。
图2-13单相全桥逆变电路的移相调压波形图
3单相逆变电源的模型仿真
3.1MATLAB的基本介绍
MATLAB软件作为教学、科研和工程设计的重要工具，经过这些年的发展，已经成为了我们最常使用和最有必要掌握的仿真平台软件。
它能够处理对电压的仿真与构建，对波形的具体生成。
该软件开发解决了自动控制的诸多问题，它可以省去我们制作实物的时间，同时避免了很多实验材料的资源浪费。
这次设计我用到的是simulink中的模块功能
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