PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器

PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器⼀、实验⽬的

1.加深对SPWM基本原理的理解

2.熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。

3.掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。⼆、实验设备表4-1 实验所需设备表

三、实验原理

(⼀)、单相桥式电路（H桥）拓扑及其⼯作原理

电压型全桥逆变电路共有四个开关管：T1、T2、T3、T4和四个续流⼆极管⼆极管D1、D2、D3、D4，如图4.1所⽰。当T1、T4导通时，Vab=V D；当

T2、T3导通时，V ab=-V D；当T1、T3导通时V ab=0；当T2、T4导通时，V ab=0（其中T1、T2不能同时导通；T3、T4不能同时导通）。因此控制四个开关管的通断可以控制输出电压在V D、-V D、0之间变化。(⼆)、SPWM 的原理

采样控制理论有⼀个重要的原理——冲量等效原理：⼤⼩、波形不相同的窄脉冲变量，例如电压V(t)，作⽤于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作⽤效果相同。

V D

V o 图3-1 单相桥式逆变电路的拓扑结构图3-2 ⽤SPWM电压等效正弦电压

如果将图3-2所⽰的标准正弦波等分成很多份，那么⼀个连续的正弦波也可以看作是⼀系列幅值为正弦波⽚段的窄脉冲组成。如果每个⽚段的⾯积分别与①、②、③…所⽰⼀系列等宽不等⾼的矩形窄脉冲的⾯积相等，那么从冲量等效的观点看，由①、②、③…这些等宽不等⾼矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是等效的。进⼀步，如果让图3-1所⽰逆变器产⽣如图3-2所⽰⼀系列幅值为±U d 的等⾼不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的⾯积（冲量）分别与①、②、③…⾯积相等，于是图3-2中的登⾼不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。作⽤于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。※(三)、双极性正弦脉冲宽度调制（重点）

图3-3 双极性正弦脉宽调制输出波形

基于载波的SPWM如图3-3所⽰，图中的⾼频三⾓波v c成为载波，正弦波v r称为调制波或参考调制波。开关管信号V G>0时表⽰驱动对应的开关管导通，V G<0时表⽰关断对应的开关管。图中三⾓波v c和正弦波v r的交点时刻就是开关管驱动信号的变化时刻。

当v r>v c时，使V G1>0、V G4>0，同时驱动对⾓线两个开关管T2、T4导通；使V G2<0、V G3<0时关断对⾓线两个开关管T2、T3，这时vab=V D。

当v r >v c 时，使V G1>0、V G3>0，同时驱动对⾓线两个开关管T 2、T 4导通；使V G2<0、V G3<0时关断对⾓线两个开关管T 2、T 3，这时v ab =-V D 。

从如图3-3可以看出任何⼀个载波周期内，逆变器输出电压v ab 都既有正值也有负值，故称这种调制⽅式为双极性SPWM 。

图3-4 双极性调制脉冲电压占空⽐及平均值

当载波频率f c 远⼤于调制波频率f r 时，可近似认为在⼀个载波周期T c 内，调制波的值v r 不变。则如图3-4所⽰基于⼏个关系可得到⼀个周期内v ab =V D 的占空⽐1(1)22cm r K r C cm cm

V v T v AB BF D T AE EH V V +=====+g （4-1） ⼀个载波周期T c 内，输出电压的平均⾯积为[()]/(2/1)(21)ab k D C K D C K C D D V T V T T V T T T V D V =--=-=-g （4-2）将式（4-1）带⼊（4-2）可得到D ab r cm

V V v V =g (4-3) 从式（4-3）可知，每个载波周期输出电压平均⾯积和当前v r ⼤⼩成⽐例，这说明每个载波周期输出的平均电压按正弦规律变化，符合冲量等效原理。 当载波频率很⾼时，由式（4-3），逆变器输出的⼏波电压瞬时值可以认为是11sin ()()sin sin sin rm r rm r ab D D D r D r m r cm cm cm V t V v t v t V V V t M V t V t V V V ωωωω=====g g g g （4-4）

式中，V 1m 是输出⼏波电压的峰值， M 为调制⽐1rm m cm D

V V M V V == （4-5） 式（4-5）表明，逆变器输出的基波电压和调制波v r 具有相同的频率和相位，同时SPWM 输出的基波电压⼤⼩和调制⽐M 成正⽐。

对SPWM 输出波形进⾏傅⾥叶分析可以得知， 输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些⾼次谐波，相较单脉波脉冲宽度调制PWM 消除了许多低次谐波。开关频率越⾼，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，经过LC 滤波器滤波后，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。

※(四)、单极性倍频正弦脉冲宽度调制（重点）

与双极性SPWM 对应，如果调制波的正半周期仅出现正向电压脉冲，调制波的负半轴仅出现负向电压脉冲，这种调制⽅式成为单极性SPWM 调制。

对图3-1所⽰的T 1、T 2桥臂和T 3、T 4桥臂分别进⾏双极性SPWM 调制。两个桥臂公⽤⼀个调制波v r ，不同之处在于T 1、T 2桥臂的三⾓载波是v c ，⽽T 3、T 4桥臂使⽤的三⾓载波是将v c 反向或移相180°得到的-v c 。T 1、T 2和T 3、T 4桥臂的驱动脉冲的变化时刻就是图3-5所⽰的调制波和各⾃载波的交点。可以由图3-5看出对应于基波电压正、负半周，SPWM 波形仅出现正、负脉冲，所以称为单极性SPWM 。

图3-5单极倍频正弦脉宽调制输出波形

图3-6 单极倍频正弦脉宽调制脉冲电压占空⽐及平均值

由图3-6可以清晰地看到在⼀个载波周期T c 中⽣成了两个驱动脉冲，产⽣了脉冲数倍增的效果，所以这种调制⽅式也称为单级倍频SPWM 调制。

与双极性SPWM 的分析类似。假设载波频率⾜够⾼，在⼀个载波周期v r 的⼤⼩不变。由图3-6可得，第k 个脉冲的占空⽐为/2sin /2/4k k rm k r k c c cm cm

T T V v FC FB D T T EC EA V V α====== （4-6）

其中αk 表⽰第k 个脉冲中⼼点所对应的基波⾓度。 半个载波周期内输出电压的平均⾯积为sin /2k rm k ab D D c cm

T V V V V T V α==g g (4-7) 当载波频率很⾼时，根据（4-7）逆变器输出的基波电压瞬时值可以认为是11()sin sin sin rm ab D r D r m r cm

V v t V t M V t V t V ωωω===g g g g （4-8） V 1m 是输出基波电压的幅值，1rm m cm D V V M V V =

=，定义为调制⽐。 单极性SPWM 同样具有消除地次谐波，使谐波分量⾼频化的特点。分析可知，单极性SPWM 在不提⾼每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波频率提⾼到两倍载波频率附件，更容易滤除。因此在单相全桥逆变器应⽤中，单极倍频SPWM ⽐双极性SPWM优越。对于单极倍频调制，当2N 数值较⼤，通常认为（2N-1）f r 的谐波为主要低次谐波，是滤波器设计时需要重点考虑滤除的谐波。四、实验内容

说明：本实验是⼀个单相逆变实验，由于实验室没有单相逆变模块，也没有三相负载，有三相逆变模块(PEK-130)和单相交流负载(GPL-100)，所以⽤三相桥中的其中任意两桥臂结合单相负载搭建单相逆变实验。该指导书中⽤的是1、3两桥臂，即U、W桥臂。原理图如下图4-1所⽰，实验中采⽤输出采⽤LC滤波，滤波电容C1、C2、C3采⽤△连接。

图4-1实验逆变器原理图实验内容包括：

1.仿真。本实验需搭建双极性SPWM和单极倍频SPWM两种调制⽅式下的仿真电路。

2.实物。将单极倍频SPWM调制⽅式下的仿真电路转换成数控⽅式，⽣成C代码，烧录到三相逆变器模块(PEK-130)，连接实物电路，完成实体实验。五、实验步骤（⼀）仿真搭建

在PSIM⾥新建⼀个电路绘制页⾯，搭建如下图5-1所⽰仿真电路：图5-1实验仿真图

在前⾯三个实验的基础上想必⼤家对PSIM已经有所了解，⽽且⼤部分元器件在PSIM最下⾯的⼯具栏可以直接找到，故在这⾥就不⼀⼀指明每个元器件的位置，只给出元器件的参数配置，同时给出部分元器件的位置。对于没有给出位置的元器件都可以通过Viem/Library Browser或则点击下图中箭头指⽰⼯具找到。

图5-2 元器件位置浏览1.主电路

在下图中左侧为元器件，右侧为其对应的参数配置。

图5-3 元器件参数配置

上图中第⼆个为节点标签(Label)，在主电路中总共有9个，其余8个在主电路中如图5-1所⽰，名字(参数)配置依次是Ioa、Iob、Ioc、V oa、Vob、V oc、ILa、ILc，标签(Label)在如下图指头所指处可以找到。

图5-4 元器件参数配置

图5-5 元器件参数配置

在主电路中有3个电感，3个电容，电感的值都⼀样L1=L2=L3=1mH，电容的值都⼀样都是C1=C2=C3=1uf，有5个电流传感器，值都是1/3.375。主电路中

其余的是6个MOSFET开关管和电压、电流表，MOSFET参数采⽤默认值，电压电流表注意连接⽅向，带有o的⼀端为正。2.输出检测电路

图5-6 元器件参数配置

在输出检测电路中总共6个标签，3个电压传感器，如图5-1所⽰。上⾯三个标签从左⾄右值依次是V oc、V ob、V oa，下⾯三个标签从左⾄右值依次是V oca、V obc、V oab，3个电压传感器的值都是1/100。3.按键模拟电路

图5-7 元器件参数配置

图5-8 元器件参数配置

在按键模拟电路中有2个Start PWM模块，PWM Source分别是PWM1、PWM3。2个Stop PWM模块，PWM Source分别也是PWM1和PWM2。

4.A/D转化电路

图5-9 元器件参数配置

A/D转化电路中共8个标签(Label)，值从左⾄右依次是V oca、V obc、V oab、ILa、ILc、Ioc、Iob、Ioa，8个限幅模块(Limiter)，值都是-1.5—1.5，8个零阶保

持器(Zero-Order-Hold)，采样频率都是18k。

图5-10 元器件参数配置

A/D模块参数默认，共9个SCI output，从左⾄右模块中Name依次是Psm_V oca、Psm_V obc、Psm_V oab、Psm_ILa、Psm_ILb、Psm_ILc、Psm_Ioc、Psm_Iob、Psm_Ioa，在电路连接时注意A/D Computer模块各引脚的对应。5.调制波产⽣电路

图5-11 元器件参数配置

在调制波产⽣电路中零阶保持器(Zero-Order-Hold)是18k。正弦模块(Sine)、乘数模块(Multiplier)乘数默认，2个标签的名字从左⾄右依次是Vconc、Vcona。6.驱动脉冲产⽣电路

图5-12 元器件参数配置

在PWM调制产⽣驱动脉冲电路中有2个限幅(Limiter)模块，值都是-5~5，2个SCI Output模块，从左⾄右Name的值依次是PSM_Vcona、PSM_Vconc，2个标签(Label)模块，从左⾄右值是Vcona、Vconc。零阶保持器采样频率18k。

图5-13 元器件参数配置

两个1-phase PWM模块参数配置在PWM Source有区别，分别是PWM1和PWM3，其余的参数设置⼀样。7.全局参数配置部分

图5-14 全局参数配置(⼆)、实体电路实验1.⽣成C代码及烧录

①搭建完成仿真电路以后在确保电路⽆误的前提下点击菜单Simulate→Generate Code即可⽣成C代码，同时⾃动⽣成⼀个包含C代码的⽂件夹，这个⽂件夹和之前建的仿真电路⽂件在同⼀个⽂件夹下。如下图5-15所⽰：

图5-15 ⽣成程序图

②打开CCS软件，菜单Project→Import Legacy CCSV3.3 Projects…→Select

a Project file→Browse(找到刚才⽣成的C代码⽂件加载进来)→Next→finish→OK 即可把⼯程加载进来，加载完成以后的结果会在左侧显⽰，如下图5-16所⽰。

图5-16 ⼯程加载完成图

③点击⼯具栏中的锤⼦标志，对程序进⾏检查，如下图5-17所⽰，检查完以后在Description栏应该是没有0 errors，如果有errors表⽰程序有误，需检修改程序(有Warnings标志不影响)。

程序检查按钮正确结果

图5-17 程序检查图

④右键点击⼯程→Properties→General→Project→Variant (选择2833X Delfino，后⾯的框⾥再选择TMS320F28335)→Connection(选择TexasInstructions XDS100v1 USB Debug Probe)→Linker Command file(选择)→Apply and Close，最后配置完成结果如下图5-18所⽰：

图5-18 ⼯程配置图

⑤在PEK-130上连接好烧录器，在CCS⼯具栏点击⾍⼦形状按键进⾏烧录，如下图5-19所⽰：按照以上步骤即可将程序烧录到DSP中。

图5-19程序烧录

⑥通过通讯线将PEK-130模块的RS232借⼝接到PC机，在电脑上PSIM软件⾥点击菜单Utilities→DSP Oscilloscope→Connect就可在电脑端观测到输出波形。如下图5-20所⽰：

图5-20 电脑端实时观看输出波形2.硬件接线

实验台⼦是固纬公司的PTS-1000，配置如下图5-21所⽰：

4CH 数字⽰波器功率仪交流电源直流电源等模块摆放处单相交

流负载直流负载图5-21 PTS-100实验台

在本次单相逆变实验中⽤到4CH 数字⽰波器(GDS-2204E)、直流电源(PSW 160-7.2)

、单相交流负载(GPL-100)、PEK-130模块和辅助电源模块，PEK-130模块和辅助电源模块如下图5-22所⽰：PEK-130模块(逆变器实验模块)

辅助电源模块图5-22 实验模块

接线原理图如下图5-23所⽰：Power红⿊线电脑烧录器J7

J3PEK-130模块JTAG

RS232观测端⼦

⽰波器图5-23实验接线原理图