一種基于PSpice的PWM逆變器建模仿真

摘要：本文根據(jù)電壓型二電平逆變器的基本原理，在電路仿真軟件PSpice中建立了PWM信號電源模型、二電平逆變器主電路模型及隔離驅(qū)動電路。最后的仿真結(jié)果表明本文建立的仿真模型具有很好的效果，其輸出特性與實際相比一致，驗證了仿真模型的正確性。并且模型結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，易于掌握和理解，從而為逆變器的建模、仿真與分析提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：PSpice；逆變器；PWM；仿真

中圖分類號：TM464 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 22-0000-03

1 前言

PSpice是美國MicroSim公司開發(fā)的電路模擬分析軟件，既可以仿真具體器件，也可以仿真系統(tǒng)整體（控制電路、主電路等，具有廣闊的應(yīng)用前景。逆變器是將直流電通過逆向變換，得到交流電供給負載的逆變電路，廣泛用于工業(yè)變頻調(diào)速、家電等場合。本文建立的模型是二電平三相逆變器，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，逆變器開關(guān)器件采用IGBT。二電平逆變器的工作方式是把直流電源的正極電位或負極電位接到負載上，每相可以輸出電平+Ud/2、–Ud/2，故稱之為二電平逆變器。本文是基于集成于Orcad10.5版本中的PSpice，建立了包含脈寬調(diào)制（PWM）信號產(chǎn)生模塊、隔離驅(qū)動模塊以及逆變主電路的仿真模型。

2 PWM原理

總起來說，PWM逆變器的原理是將電路中功率開關(guān)器件按一定規(guī)律控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出一系列寬度不等而幅值相等的矩形脈沖電壓。改變矩形脈沖寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，改變調(diào)制頻率可以控制輸出頻率，從而實現(xiàn)變壓和變頻。在PWM逆變器中，將期望的波形作為基準(zhǔn)，即調(diào)制波（Modulation Wave）；受它調(diào)制的信號稱為載波（Carrier Wave）。通常調(diào)制波選正弦波，載波選等腰三角波。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點時刻控制逆變器開關(guān)器件的通斷，即可在逆變器輸出端得到一組等幅而寬度正比于正弦波函數(shù)值的矩形脈沖，這就是PWM技術(shù)。

3 PSpice仿真模型

本文建立的PWM逆變器電路主要分為三大模塊：

3.1 PWM信號電源電路

PWM信號產(chǎn)生模塊是將器件UA741用作電壓比較器，比較三角波與正弦波兩路信號。在PSpice中，UA741用作比較器會有如下特性（圖3）。

由于逆變器上下橋臂的開關(guān)器件是推挽工作，U1輸出端PWM1in信號驅(qū)動上橋臂，并將PWM1in與零電壓比較，輸出PWM4in信號驅(qū)動下橋臂。

3.2 隔離驅(qū)動電路

圖5是驅(qū)動A相橋臂上下開關(guān)器件的電路圖， 由光耦隔離器O1和兩個三極管Q1、Q2構(gòu)成。

以圖5為例，電源輸入PWM1in為正值，光電發(fā)光二極管工作，光電光敏三極管導(dǎo)通，12V電壓經(jīng)基極電阻Rb后使Q1導(dǎo)通，PWM1out輸出電壓為正值，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通；PWM1in為負值時，光電光敏三極管關(guān)斷，-10V電壓經(jīng)基極電阻Rb后抽出基極電流使Q2導(dǎo)通，PWM1out輸出電壓為負值，保證所驅(qū)動的IGBT可靠關(guān)斷。對這一模塊單獨進行直流掃描，觀察PWM1out與PWM1in之間關(guān)系。進行直流掃描仿真時，PWM1in設(shè)置如圖6所示。

圖7是輸出電壓PWM1out隨輸入電壓PWM1in電壓變化的曲線。從圖中可以看出建立的光耦隔離器具有很好的輸入輸出跟隨特性。

3.3 逆變器主電路

在傳動控制系統(tǒng)中，一般為感性負載。這種情況下，IGBT關(guān)斷瞬間會使加在兩端的電壓產(chǎn)生很大變化，造成很大du/dt，影響IGBT的可靠性。因此，在設(shè)計IGBT驅(qū)動電路時要外加?xùn)艠O電阻，以限制關(guān)斷時的du/dt。柵極電阻取值一般有如下參考：

IGBT門極與發(fā)射極并聯(lián)了一組反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，主要是防止IGBT門極與發(fā)射極之間的電壓幅值超過最大柵極-發(fā)射極電壓UCE，保證IGBT有效、穩(wěn)定地工作。其它主要器件的選型參數(shù)主要有以下幾點：

4 仿真輸出波形

圖9是文中建立的逆變器仿真模型的輸出波形，（a）是正弦波頻率fr=10Hz，載波比N=3時輸出A相電壓流波形；（b）是正弦波頻率fr=10Hz，載波比N=9時輸出A相電流波形；（c）是正弦波頻率fr=50Hz，載波比N=9時輸出A相電流波形。對比（a）和（b）可以看出，在同樣的頻率下，載波比越高，其電流波形越好；對比（b）和（c）可以看出，在同樣的載波比下，頻率越高其電流波形越好。因此提高調(diào)制波頻率和載波比均可以改善逆變器輸出電流波形，然而在異步電機低速（低頻）運行時，為獲得良好特性，必須改善此時逆變器輸出電流波形，此時提高載波比便成了一個很好的方法。因此，在調(diào)頻調(diào)速應(yīng)用場合經(jīng)常采用分段同步調(diào)制。

5 結(jié)束語

通過建立文中的仿真模型，逆變器的基本原理可以清晰的展現(xiàn)出來，從而能對逆變器進行分析，加深理解。文中建立的模型可以很好地模擬仿真現(xiàn)實中的逆變過程，而PSpice軟件仿真分析功能強大，在本文建立的仿真模型基礎(chǔ)上還可以進行逆變器多項特性分析，這為從事逆變器研究開發(fā)提供了很好的仿真研究途徑。

參考文獻：

[1]馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]徐國卿.城市軌道車輛電力傳動[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

[3]汪建民.Pspice電路設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[4]周志敏.IGBT和IPM及其應(yīng)用電路[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]周志敏.IGBT驅(qū)動與保護電路設(shè)計及應(yīng)用電路實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6]陳建業(yè).電力電子電路的計算機仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[作者簡介]

李金池（1987-），男，碩士研究生，河北石家莊人，研究方向：機車電傳動與控制；胡漢春（1954-），男，教授，四川人，主要研究領(lǐng)域：機車、動車和城市軌道車輛電傳動及控制系統(tǒng)，已發(fā)表20余篇論文。