MATLAB在单相桥式PWM逆变电路教学中的应用

谢积锦 刘桂英 周建阳 李红星

摘要：根据电力电子技术课程特点和教学现状，将Matlab软件引进电力电子技术课堂进行仿真教学，以单相桥式PWM逆变电路为例，搭建了逆变器仿真模型，详细介绍了PWM控制信号仿真原理和特性、开关管工作情况以及负载电压电流仿真波形分析，结果表明，应用Matlab仿真软件，能使分析过程直观化、理论结果可视化，对丰富电力电子技术教学手段、提高教学质量起到有效的促进作用。

关键词：逆变电路；PWM控制；MATLAB；仿真分析

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）09-0269-02

一、引言

电力电子技术是一门理论和实践结合较紧密的学科，也是实践性很强的应用技术，在教学过程中常需借助大量的波形来分析各种电路的工作状态、能量转换过程[1-3]。波形分析法是电力电子技术教学常用的方法，在课堂教学活动组织过程中，有大量的波形分析内容，学生常感到教学内容抽象、枯燥，而且只靠图形说明缺乏真实性，学习效果不理想。因此，借助MATLAB仿真软件对电力电子技术中一些较难理解的电路和原理进行建模，通过仿真模型向学生介绍电路的工作原理，观察仿真波形对控制原理进行说明，这对丰富教学手段、提高教学质量、增强办学资源是一个有益的教学方法。

逆变电路是电力电子技术的四大变换器之一，单相桥式逆变电路是该课程中非常重要的内容，而该电路的分析、理解比较困难，如果不借助仿真手段，很难得到其复杂的动态变化波形。利用MATLAB仿真软件对单相桥式PWM逆变电路进行仿真建模，分析由PWM控制的单相桥式逆变电路的工作状态及相关关键波形，可更好地理解和掌握该电路的知识点。

二、单相桥式逆变电路仿真模型

单相桥式PWM逆变电路仿真模型由主电路、控制电路和测量电路等3部分组成，其中主电路由直流电源Ed、2对功率开关器件和与其反并联的二极管、以及阻感负载RL等组成；控制电路是Gate Drive子模块；测量电路是Measurements子模块，如图1所示。

三、控制信号仿真分析

PWM控制信号由一个正弦调制波与高频三角载波进行比较得到一路控制信号，再将这路信号反相产生另一路控制信号，这两路信号互补，分别控制如图1所示的上下桥臂功率管的导通与关断，所生成的输出信号按序号连接到主电路相应序号的功率开关器件上，其仿真模型和仿真输出控制信号如图2和图3所示。

从图2和图3仿真教学中，学生可以掌握如下几点：（1）如何设置正弦波（50Hz、7V）和双极性三角波（5kHz、10V）；（2）了解正弦波和三角波的频率和幅值要求，理解PWM调制原理、载波比和调制比物理意义，以及PWM波形特征；（3）通过示波器局部放大功能认识互补信号的特征，掌握上下桥臂的功率开关管控制信号的要求。

四、工作原理仿真分析

为了理解单相桥式PWM逆变电路的工作原理，可以通过分析Measurements子模块测量电路的示波器波形来掌握，如图4所示。

1.功率开关管的工作情况。图1所示的4个功率开关管VT1～VT4采用SimPowerSystems库中的Mosfet全控型开关管，参数按系统默认设置。由于VT1与VT3、VT2与VT4工作情况相同，故只要测量VT1和VT2开关管电流和电压波形，如图5和图6所示。

从图5和图6中，学生可以了解器件在各阶段的工作情况：（1）VT1与VT2工作在互补状态；（2）开关管在控制信号为1时开通，为0时关断，是全控型器件；（3）开关管是一理想开关管：开通时管子电压很小近似为零，管子电流由外电路决定；关断时电流为零，电压为电源电压；（4）补充了教材上没有的器件电流电压波形图，丰富了分析内容。

2.输出电压和电流波形分析。在图1中，阻感负载参数为R=10Ω、L=0.01mH，输出电压和电流仿真波形如图7所示。

从图7可以看出：（1）输出电压是双极性PWM波形，幅值为电源电压（100V）；（2）由于是阻感负载，所以输出电流是连续平滑的且更接近正弦波，有利于理解电感滤波作用；（3）弥补了教材上没有输出电流波形图的不足。

综上所述，利用Matlab仿真软件从设计电路到运行及数据分析等大部分教学内容都可以在课堂上解决[4]，无需附加额外条件，与实际电路运行相同，学生可以全方位地理解教学内容，教学效果好。运用仿真软件进行教学，学生对运动的版面将会兴趣十足，对教师讲解的课程内容非常直观地理解，并且可以提出更换电路参数，由学生进行仿真分析，增加教学的互动性和学生学习的积极性[5]。

五、结论

由于电力电子技术所涉及的都是功率器件，硬件实验费时、费用高且危险性大，非常有必要在电力电子技术课程的教学中引用计算机仿真技术，不仅大大节省课时，而且使分析过程直观化，理论结果可视化，既能使学生更好地掌握电力电子技术的理论知识，又可懂得如何搭建与调试电路，使理论与实践紧密结合，调动学生的学习积极性和学习兴趣，提高学生分析、理解问题的能力，是一种有益的探索。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]文亚凤，刘向军.EDA仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2006，23（12）：73-75.

[3]王红梅，黄华飞，唐春霞.Saber仿真在电力电子技术教学中的应用[J].装备制造技术，2007，25（1）：80-82.

[4]丘东元，眭永明，王学梅，张波.基于Saber的“电力电子技术”仿真教学研究[J].电气电子教學学报，2011，33（2）：81-84.

[5]蒋伟，莫岳平.“电力电子技术”课程教学模式研究[J].电气电子教学学报，2013，35（1）：44-46.