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(dòng)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(shí)際相比一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。并且模型結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)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(xiàn)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(fù)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(fù)極電位接到負(fù)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(dòng)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(shí)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(shí)，由它們的交點(diǎn)時(shí)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(huì)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(dòng)上橋臂，并將PWM1in與零電壓比較，輸出PWM4in信號驅(qū)動(dòng)下橋臂。

3.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路

圖5是驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)IGBT導(dǎo)通；PWM1in為負(fù)值時(shí)，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(fù)值，保證所驅(qū)動(dòng)的IGBT可靠關(guān)斷。對這一模塊單獨(dú)進(jìn)行直流掃描，觀察PWM1out與PWM1in之間關(guān)系。進(jìn)行直流掃描仿真時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng)中，一般為感性負(fù)載。這種情況下，IGBT關(guān)斷瞬間會(huì)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(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)要外加?xùn)艠O電阻，以限制關(guān)斷時(shí)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(diǎn)：

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(shí)輸出A相電壓流波形；（b）是正弦波頻率fr=10Hz，載波比N=9時(shí)輸出A相電流波形；（c）是正弦波頻率fr=50Hz，載波比N=9時(shí)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(jī)低速（低頻）運(yùn)行時(shí)，為獲得良好特性，必須改善此時(shí)逆變器輸出電流波形，此時(shí)提高載波比便成了一個(gè)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(jìn)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(shí)中的逆變過程，而PSpice軟件仿真分析功能強(qiáng)大，在本文建立的仿真模型基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行逆變器多項(xiàng)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。

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[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(jī)車電傳動(dòng)與控制；胡漢春（1954-），男，教授，四川人，主要研究領(lǐng)域：機(jī)車、動(dòng)車和城市軌道車輛電傳動(dòng)及控制系統(tǒng)，已發(fā)表20余篇論文。