基于MATLAB的單相半橋和全橋逆變器

交流 （AC） 電源用于幾乎所有的住宅、商業(yè)和工業(yè)需求。但交流電最大的問題是它無法存儲以備將來使用。因此，交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后直流電存儲在 電池 和 超級電容器中?，F(xiàn)在，每當(dāng)需要交流電時(shí)，直流電再次轉(zhuǎn)換為交流電以運(yùn)行基于交流電的設(shè)備。因此 ，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置稱為逆變器。

對于單相應(yīng)用，使用單相逆變器。單相逆變器主要有兩種類型：半橋逆變器和全橋逆變器。在這里，我們將研究如何構(gòu)建這些逆變器，并將在 MATLAB 中模擬電路。

半橋逆變器

這種類型的逆變器需要兩個(gè)電力電子開關(guān) （MOSFET）。MOSFET 或 IGBT 用于開關(guān)目的。半橋逆變器的電路圖如下圖所示。

如電路圖所示，輸入直流電壓為 Vdc = 100 V。此電源分為兩個(gè)相等的部分?，F(xiàn)在向 MOSFET 提供柵極脈沖，如下圖所示。

根據(jù)輸出頻率決定 MOSFET 的 ON 時(shí)間和 OFF 時(shí)間，并產(chǎn)生柵極脈沖。我們需要50Hz 的交流電源，因此一個(gè)周期 （0 《 t 《 2π） 的時(shí)間周期為 20 毫秒。如圖所示，MOSFET-1在前半個(gè)周期（0 《 t 《 π） 內(nèi)被觸發(fā)，在此期間 MOSFET-2 不被觸發(fā)。在此時(shí)間段內(nèi)，電流將沿下圖箭頭方向流動(dòng)，完成交流輸出的半個(gè)周期。來自負(fù)載的電流從右到左，負(fù)載電壓等于+Vdc/2。

在后半周期（π 《 t 《 2π），MOSFET-2 被觸發(fā)，低壓源與負(fù)載相連。來自負(fù)載的電流是從左到右的方向，負(fù)載電壓等于-Vdc/2。在這段時(shí)間內(nèi)，電流將如圖所示流動(dòng)，完成交流輸出的另一半周期。

全橋逆變器

在這種類型的逆變器中，使用了四個(gè)開關(guān)。半橋和全橋逆變器的主要區(qū)別在于輸出電壓的最大值。在半橋逆變器中，峰值電壓是直流電源電壓的一半。在全橋逆變器中，峰值電壓與直流電源電壓相同。全橋逆變器的電路圖如下圖所示。

MOSFET 1 和 2 的柵極脈沖相同。兩個(gè)開關(guān)同時(shí)工作。類似地，MOSFET 3 和 4 具有相同的柵極脈沖并同時(shí)工作。但是，MOSFET 1 和 4（垂直臂）絕不會(huì)同時(shí)工作。如果發(fā)生這種情況，則直流電壓源將被短路。

對于上半周期（0 《 t 《 π），MOSFET 1 和 2 被觸發(fā)，電流將如下圖所示流動(dòng)。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電流從左向右方向流動(dòng)。

對于下半周期（π 《 t 《 2π），MOSFET 3 和 4 被觸發(fā)，電流將如圖所示流動(dòng)。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電流從右向左方向流動(dòng)。在這兩種情況下，峰值負(fù)載電壓與直流電源電壓 Vdc 相同。

MATLAB中半橋逆變器的仿真

對于仿真，在 Simulink 庫的模型文件中添加元素。

1） 2 個(gè)直流電源 – 每個(gè) 50V

2） 2 個(gè) MOSFET

3） 阻性負(fù)載

4） 脈沖發(fā)生器

5） 非門

6） 電源貴

7） 電壓測量

8） GOTO 和 FROM

根據(jù)電路圖連接所有組件。半橋逆變器模型文件的屏幕截圖如下圖所示。

柵極脈沖 1 和柵極脈沖 2 是 MOSFET1 和 MOSFET2 的柵極脈沖，由柵極發(fā)生器電路產(chǎn)生。門脈沖由 PULSE GENERATOR 生成。在這種情況下，MOSFET1 和 MOSFET2 不能同時(shí)觸發(fā)。如果發(fā)生這種情況，則電壓源將短路。當(dāng) MOSFET1 關(guān)閉時(shí)，MOSFET2 將打開，當(dāng) MOSFET2 關(guān)閉時(shí)，MOSFET1 將打開。因此，如果我們?yōu)槿魏我粋€(gè) MOSFET 生成柵極脈沖，那么我們可以切換該脈沖并用于其他 MOSFET。

門脈沖發(fā)生器

上圖顯示了MATLAB 中脈沖發(fā)生器模塊的參數(shù)。周期為2e -3 表示 20 毫秒。如果需要 60Hz 頻率輸出，則周期為 16.67 毫秒。脈沖寬度以周期百分比表示。這意味著，僅針對該區(qū)域生成柵極脈沖。在這種情況下，我們將其設(shè)置為 50%，這意味著產(chǎn)生了 50% 的周期門脈沖，而沒有產(chǎn)生 50% 的周期門脈沖。相位延遲設(shè)置為 0 秒，這意味著我們沒有給門脈沖任何延遲。如果有任何相位延遲，則意味著在此時(shí)間之后將產(chǎn)生門脈沖。例如，如果相位延遲為 1e-3，則門脈沖將在 10 毫秒后產(chǎn)生。

通過這種方式，我們可以為 MOSFET1 生成柵極脈沖，現(xiàn)在我們將切換此柵極脈沖并將其用于 MOSFET2。在模擬中，我們將使用邏輯非門。與輸出相反的非門意味著它將1轉(zhuǎn)換為0和0轉(zhuǎn)換為1。這就是我們可以精確地獲得相反的門脈沖的方法，這樣直流電源就不會(huì)短路。

實(shí)際上，我們不能使用 50% 的脈沖寬度。MOSFET 或任何電源電氣開關(guān)需要很短的時(shí)間才能關(guān)閉。為避免源極短路，脈沖寬度設(shè)置在 45% 左右，以留出 MOSFET 關(guān)斷的時(shí)間。此時(shí)間段稱為死區(qū)時(shí)間。但是，出于模擬目的，我們可以使用 50% 的脈沖寬度。

半橋逆變器的輸出波形

此屏幕截圖適用于負(fù)載上的輸出電壓。在這張圖中，我們可以看到，負(fù)載電壓的峰值為 50V，是直流電源的一半，頻率為 50Hz。對于完整的一個(gè)周期，所需時(shí)間為 20 毫秒。

MATLAB中全橋逆變器的仿真

如果你得到半橋逆變器的輸出，那么很容易實(shí)現(xiàn)全橋逆變器，因?yàn)榇蠖鄶?shù)事情都保持不變。在全橋逆變器中，我們只需要兩個(gè)柵極脈沖，這與半橋逆變器相同。一個(gè)柵極脈沖用于 MOSFET 1 和 2，該柵極脈沖的反相用于 MOSFET 3 和 4。

所需元素

1） 4 – MOSFET

2） 1 個(gè)直流電源

3） 阻性負(fù)載

4） 電壓測量

5） 脈沖發(fā)生器

6） GOTO 和 FROM

7） 電源GUI

連接所有組件，如下面的屏幕截圖所示。

全橋逆變器的輸出波形

此屏幕截圖適用于負(fù)載上的輸出電壓。在這里我們可以看到，負(fù)載電壓的峰值等于100V的直流電源電壓。