三相电压源型逆变器PWM仿真
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目录
1概述 ................................................................................................................. 1
1.1 逆变电路简介.......................................................................................... 1
1.2 PWM简介 ............................................................................................... 1
2 三相电压源逆变器工作原理 .............................................................................. 3
3 Matlab仿真建模与分析 ...................................................................................... 5
3.1三相SPWM波的产生................................................................................ 5
3.2 SPWM逆变器仿真 ................................................................................... 6
3.3 滤波器粗略分析 ..................................................................................... 10
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三相电压源型SPWM逆变器的设计
1概述
1.1 逆变电路简介
与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交
流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。
又逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型
逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路；它们也分别被称为电压源型
逆变电路和电流源型逆变电路。其中，电压源型逆变电路有以下主要特点：直流
侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回
路呈现低阻抗；由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并
且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不
同；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作
用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈
二极管。
1.2 PWM简介
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即
通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技
术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有
惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来
代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此
相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的
矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲
和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图1-1所示的脉冲序列，这就
是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，
也称为SPWM波。SPWM方式控制波形可分为单极性和双极性。 2
图1-1用PWM波代替正弦波
图1-2 单极性SPWM控制方式波形
如图1-2所示为单极性SPWM控制方式波形，即如果在正弦调制波的半个周
期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于
一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。根据面积等效原理，不难得知SPWM
还可等效为图1-3中所示的PWM波，这种波形称为双极性SPWM波形，即如果
在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是
在正负之间变化，叫做双极性控制方式。
图1-3 双极性SPWM控制方式波形
O
t U
d
-U
d
O
t U
d
- U
d 3
2三相电压源逆变器工作原理
PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压
型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波
形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，
准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可
得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波
的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。与计算法相对应的是调制法，即把
希望调制的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制
得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，在调制信号波为正弦
波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广。因此本设计采用调制法进
行仿真，而且三相桥式PWM逆变电路都是采用双极性控制方式。
图2-1是采用IGBT作为开关器件的三相桥式PWM逆变电路。
图2-1 三相桥式PWM逆变电路
三相桥式逆变器有六个带反并联续流二极管的IGBT组成，分别为VT1~VT6，
直流侧由两个串联电容，他们共同提供直流电压Ud，负载为三相星形接法的阻
感负载，调制电路分别由三相交流正弦调制波形和三角载波组成。其中三角载波
频率和正弦调制波频
率之比称为载波频率，调制波幅值和载波幅值之比称为调制度(也称调制比，
0
4
是SPWM调制中的两个重要参数。三角载波和正弦调制波相互调制产生六路脉冲
信号分
图2-2 三相桥式PWM逆变电路波形
别给六个IGBT提供触发信号。
U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波𝑢
𝑐，三相的调制信号
𝑢
rU、𝑢
rV和𝑢
rW依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，
现以U相为例来说明。当𝑢
rU>𝑢
𝑐时，给上桥臂V1以导通信号，给下桥臂V4以
关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压𝑢
UN′ = 𝑈
d/2。当
𝑢
rU<𝑢
𝑐时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则𝑢
UN′=−𝑈
d/2。V1和V4的
驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时可能是V1(V4)导通也可能是
二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中
电流的方向来决定，这和单相桥式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。
V相及W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图2-2所示。可以看出，
𝑢
UN′、𝑢
VN′和𝑢
WN′的PWM波形都只有±𝑈
d/2两种电平。图中的线电压𝑢
UV的
波形可由𝑢
UN‘-𝑢
VN′得出。可以看出，当桥臂1和6导通时，𝑢
UV = 𝑈
d，当桥臂
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和4导通时，𝑢
UV = -𝑈
d，当桥臂1和3或桥臂4和6导通时，𝑢
UV = 0。因此，逆
变器的输出线电压PWM波由±𝑈
d和0三种电平构成。图2-2中的负载相电压𝑢
UN
可由下式求得
𝑢
UN = 𝑢
UN’-𝑢
UN′+ 𝑢
VN’ + 𝑢
WN′3 (2-1)
从波形上和上式可以看出，负载相电压的PWM波由(±2/3)𝑈
d、(±1/3)𝑈
d和
0共五种电平组成。
3 Matlab仿真建模与分析
方案设计好了，原理也已分析的差不多了，接下来最重要的一环就是仿真了，
首先三相SPWM逆变器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信号波。
3.1三相SPWM波的产生
将正弦波和三角波按照调制度和载波比进行一些比较和运算，便可调制出所
需的SPWM信号波。仿真过程中涉及到具体逆变器电路的调制比计算问题：
输出线电压𝑢
UV的基波幅值与直流电源电压的关系如下，
𝑢
UVm= 3 2m𝑈
d=0.866m𝑈
d(3-1)
输出线电压𝑢
UV的基波有效值为，
𝑢
UVr=1
2𝑢
UVm=0.612m𝑈
d (3-2)
假如本设计要求是：直流电源电压𝑈
d为400V，输出线电压基波幅值为
300V(50Hz)，根据式3-1可得m=300/400/0.866=0.866。
根据原理分析，本设计采用双极性PWM控制方式波形，公用一个等腰三角
载波，采用三个幅值、频率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作为调制波。
三相SPWM控制波形的发生电路如图3-1所示，在Simulink的“Source”库中选
择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2πf
r后，再通过一个“sin”模块即为
sint，乘以调制比m(图中Constant常量模块)后可得到所需的正弦波调制信号，
通过设置相位即可产生三相正弦波信号。三角载波信号由“Source”库中的
“RepeatingSequence”模块产生,参数设置为[0 1/f
c/4 3/f
c/4 1/f
c]和[0-1 1 0],其
中，fc为载波的频率，也叫PWM开关频率，比如设置开关频率为3kHz，将fc替
换成3000即可。另外，示波器采样频率设置高一些，便可生成频率为f
c的三角载
