SPWM全桥逆变电路
实验题目：SPWM 全桥逆变电路
1. 课程简要信息
课程名称：功率电子技术实验（独立设课）
课程学时：5学时 $^ { + 3 }$ 学时
项目学时：课内 $^ +$ 课外
适用专业：电子信息工程
学生年级：三年级第一学期
2. 实验内容与任务（限 500 字，已与“实验过程及要求”合并）
（1）根据课堂教学、网上或相关教材的学习和研究，熟悉单相桥式 SPWM 逆变电路工作原理、电路结构及其应用，理解 SPWM 控制信号的产生原理，单极性与双极性控制方式的不同，半桥与全桥逆变电路的区别，载波比与调制深度对逆变电路输出波形的影响；
（2）设计单相全桥 SPWM 逆变电路，实现：输入直流电源为 48V，负载为 2Ω，输出频率为 $5 0 \mathrm { H z }$ 的正弦波（失真度较小）；
（3）使用MATLAB & Simulink 仿真软件完成上述设计电路的仿真和验证，分析双极性全桥 SPWM 逆变电路的工作过程，分析逆变电路输出电压与调制比、输入电压的关系，总结输出滤波电路的设计，分析其与载波比之间的相互影响关系；
（4）在数控全桥 SPWM 逆变电路实验板上，完成输入直流电源为 30V，输出频率为$5 0 \mathrm { H z }$ ，负载为 $1 0 \Omega$ 的实验测试，观测双极性 SPWM 全桥逆变电路的工作过程；
（5）观测SMT32单片机产生、经 IR2110转换的 2路驱动波形（用示波器深度存储模式抓取驱动波形，观察其占空比的变化规律），同时观测上述 2 路驱动波形的死区时间；
（6）启动逆变器工作，观测逆变主电路同侧上、下桥臂 MOS 管的驱动波形（用示波器深度存储模式抓取，观察其占空比的变化规律）；
（7）在输入电压为 30V，正常死区时间情况下：调整调制比分别为0.5、0.8和1，观测对应的输出电压 uo 波形；
（8）在调制比为0.8，正常死区时间情况下：改变输入电源电压为 20V，观测此时对应的输出电压uo波形；
（9）在输入电压为 30V，调制比为0.8情况下：改变驱动波形的死区时间，观测过大死区时间对应的输出电压 uo 波形；
（10）在输入电压为 30V，调制比为 0.8，正常死区时间情况下：观测输出频率为60Hz对应的输出电压uo 波形；
（11）根据实验测试结果，分析逆变电路输出电压与调制比、输入电压的关系，分析电路工作受驱动信号的死区时间、载波比的影响。
3. 相关知识及背景（限 150 字）
逆变器是将直流转换为定频定压或调频调压交流电的变换器，正弦波逆变电路是基于 SPWM 控制技术实现的。本实验项目运用功率变换技术为主，辅以微机接口技术解决工程实际问题，涉及电路设计与仿真、SMT32 单片机产生双极性 SPWM 控制信号、逆变器性能的变换效率、正弦波失真度和谐波控制、以及硬件电路测试等重要理论概念与工程方法。
4. 实验环境条件
MATLAB & Simulink 仿真软件（需 R2016a 及以上版本），数控全桥 SPWM 逆变电路实验板，直流稳压电源（35V/5A），功率负载电阻，数字存储示波器等。
5. 教学目标与目的（限 150字）
基于单相全桥SPWM 逆变电路的电路设计，通过 MATLAB & Simulink 仿真软件进行电路工作原理验证，结合数控全桥 SPWM 逆变电路实验板的实验测试。让学生充分了解双极性 SPWM 控制技术及工作特点，熟悉全桥逆变电路的工作原理和特点，了解桥式电路驱动信号的要求和实现原理，了解微处理器产生 SPWM信号的原理和方法。
6. 教学设计与实施进程
本实验教学实施分为课前自学、电路设计、课堂仿真和测试教学、总结交流等若干环节，共8学时（课外 3学时、课内5学时）。主要教学实施进程如下：
课程第一阶段（课外设计）：
（1）下达实验任务与要求，学生自愿组合，2人一组，分解实验任务，制定实验计划；
（2）指导学生搜集正弦波逆变电路相关技术和应用资料，引导学生自主完成单相
全桥SPWM逆变电路的设计。
课程第二阶段（上机仿真）：
（1）指导学生基于 MATLAB & Simulink 仿真软件，完成对之前设计电路的仿真和验证；
（2）指导学生基于仿真结果，分析双极性全桥 SPWM逆变电路的工作过程，分析逆变电路输出电压与调制比、输入电压的关系，总结输出滤波电路的设计，分析其与载波比之间的相互影响关系。
课程第三阶段（硬件测试）：
（1）指导学生基于数控全桥 SPWM 逆变电路实验板，完成特定条件下的实验测试，观测双极性SPWM全桥逆变电路的工作过程。
（2）指导学生用示波器深度存储模式抓取驱动波形，观察其占空比的变化规律观测，观测逆变主电路同侧上、下桥臂 MOS管的驱动波形；
（3）指导学生在改变包括调制比、输入电源电压、死区时间、输出频率等不同工况情况下，分别观测对应的输出电压波形；
（4）指导学生根据实验测试结果，分析逆变电路输出电压与调制比、输入电压的关系，分析电路工作受驱动信号的死区时间、载波比的影响。
课程第四阶段（总结）：
（1）指导学生整理实验技术资料(包括实验计划书、设计的电路原理图、仿真电路及仿真波形数据、实验测试硬件电路图、实验测试波形及数据等)，分析电路设计、仿真、实验测试等各个环节遇到的主要问题及解决办法，撰写实验总结报告；
（2）组织实验完成效果好的学生小组进行演示和交流，邀请有工程背景的专业或理论教师进行点评。
7. 实验原理及方案
逆变器是将直流转换为定频定压或调频调压交流电的变换器。PWM 控制技术是利用开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。
图 1 双极性SPWM逆变器原理及输出电压波形
正弦波逆变电路是基于 SPWM 控制技术实现的，SPWM 就是输出一段幅值相等的脉冲序列去等效正弦波，因此输出为高的脉冲时间宽度基本上呈正弦规律变化。
图 1（a）所示为全桥逆变主电路。图 1（b）所示为驱动信号生成电路。图 1（c）所示是基于三角载波的 SPWM 输出电压波形。每个载波周期 $T _ { c }$ ，开关管开通、关断各一次，桥臂的开关频率和载波频率相等。任何一个载波周期内，逆变器输出电压 $v _ { a b }$ 都是既有正值也有负值，故称这种调制方式为双极性 SPWM。其调制比（或调制度）M定义为
$$ M = { \frac { V _ { r m } } { V _ { c m } } } = { \frac { V _ { 1 m } } { V _ { D } } } $$
$V _ { 1 m }$ 是输出基波电压的峰值，逆变器输出的基波电压和调制波 $v _ { r }$ 具有相同的频率与相位，所以改变调制波 $v _ { r }$ 的频率、相位也就同等地改变了输出基波电压的频率、相位。SPWM 输出的基波电压大小和调制比 M 成正比，如果固定 $V _ { c m }$ ，改变 $V _ { r m }$ 就改变了调制比 M，也就改变了输出基波电压 $V _ { 1 }$ 。
需要注意的是，只有在 $\mathrm { M } { \leqslant } 1$ 的范围以内，输出电压基波的大小才会随调制比线性变化，调制比 $\mathbb { M }$ 在线性区内也等于输出电压基波峰值 $V _ { 1 m }$ 与 SPWM 脉冲波幅值（对于全桥电路是 $V _ { D }$ ，半桥电路是 $V _ { D } / 2$ ）的比值。
将载波频率 $f _ { c }$ 和调制波频率 $f _ { r }$ 之比定义为载波比 N
$$ N = \frac { f _ { c } } { f _ { r } } = \frac { \omega _ { c } } { \omega _ { r } } $$
在线性调制区，对 SPWM波形进行傅里叶分析表明，具有 SPWM形式的脉冲输出电压除了含有基波电压外，几乎不再含有低次谐波，仅存在高次谐波。因此和单脉波调制波相比较，输出波形中的谐波频率大幅地向高频推移，其谐波频率仅出现在载波频率 $f _ { c } = $ $N f _ { r }$ 及载波倍频的附近区域，这些谐波是设计LC 滤波器要考虑的主要低次谐波，谐波频率的提高使滤波变得容易。LC 低通滤波器截止频率公式：
$$ f = 1 / ( 2 \cdot \pi \cdot { \sqrt { L \cdot C } } ) $$
本实验装置中的SPWM控制信号是由SMT32微处理器产生的。现以调制频率为 $2 0 \mathrm { k H z }$ 、输出 $5 0 \mathrm { H z }$ 正弦波、调制比为 1为例加以说明：
SPWM的产生采用定时器的 PWM模式，定时器的计数频率为 24MHz，也就是定时器计一个数为 1/24000000s，计 1200 个数时为 $5 0 { \mathrm { u s } }$ 。
调制频率为 $2 0 \mathrm { k H z }$ ，则其周期为 50us，定时器计数值从 0 到 1200 不断重复。正弦波需要输出最大幅值时，对应 PWM 占空比为 $1 0 0 %$ ，定时器计数值为 1188（已考虑死区时间）。在正弦波输出最小幅值时，对应PWM占空比为0，但定时器计数值为 1。在程序中，一个正弦波周期采样点数为 400 个点（即载波比），根据正弦波规律变化，将算好的 400 个数值存入数组，采用查表法调入比较寄存器中使用。当定时器计数值小于相应的比较值时，微处理器 I/O口输出高电平，大于相应的比较值时则输出低电平。在每次修改调制比时，需要根据参数重新计算数组中的 400个数值。
死区时间设置：桥式电路上下半桥功率管不能同时导通，否则就会出现短路现象，烧毁功率管。在PWM驱动信号产生时，就需要增加一小段死区时间，如图 2所示，确保上半桥关断后，延迟一小段时间再打开下半桥；下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥。
图 2 死区时间示意图
死区时间设置要合理，若过大，会影响输出电压的纹波；若过小，会导致开关功率管发热严重，影响逆变器性能。
数控全桥 SPWM 逆变电路实验板电路、PCB 和装置分别如图 3、图 4 和图 5 所示。
图3 数控全桥SPWM 逆变电路图
图 4 数控全桥 SPWM 逆变电路 PCB 图
图 5 数控全桥 SPWM 逆变电路装置
8. 实验报告要求
本实验项目实验总结报告重点包含以下内容：
（1）对 SPWM 逆变电路的单极性控制和双极性控制的工作特点做简单对比分析；（2）对SPWM 半桥逆变电路与全桥逆变电路的工作特点做简单对比分析；（3）在给定实验条件下，设计一种单相 SPWM 逆变电路，包括控制电路、主电路
和输出滤波电路的设计；（4）根据仿真实验波形和数据，分析双极性全桥 SPWM 逆变电路的工作过程，分
析逆变电路输出电压与调制比、输入电压的关系；总结输出滤波电路的设计，分析其与
载波比之间的相互影响关系；（5）根据实验测试结果，分析双极性 SPWM 全桥逆变电路的工作过程；（6）根据实验测试结果，分别分析电路输出电压与调制比、输入电压的关系，分析
电路工作受驱动信号的死区时间、载波比的影响；（7）根据实验过程和结果，总结数控型逆变器的优缺点。
9. 考核要求与方法（限 300 字）
本实验考核以指导教师对学生实验全过程的综合评价为主，按照实验进程分为四个阶段，外加实验素养的考核。具体考核内容和考核标准如下：
（1）电路设计 $( 1 0 % )$
实验系统的框架结构组成、电路结构选取和论证等。
（2）仿真过程（ $30 %$ ）
仿真模块选型、仿真波形和数据结果，仿真结果的分析和优化。
（3）实验测试（ $30 %$ ）
硬件电路功能与性能的测试、测试波形和数据结果、测试结果的分析和总结。（4）总结（ $20 %$ ）
实验总结报告的规范和完整、电路工作原理分析、仿真和测试结果分析。
（5）实验素养（ $10 %$ ）
独立自主实践与小组成员协作、安全规范用电和仪器操作、实验成本意识、设备工具材料资料整理。
10.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）
本实验项目专为我校电信专业功率电子技术课程设计开发，基于教师科研成果设计研发出强、弱电共存的数控全桥 SPWM 逆变电路实验板。开展的大创项目“单相正弦波逆变数控电源的设计”、“正弦波车载逆变器设计”均获评校级一等奖，其中“单相正弦波逆变数控电源的设计”入选第十四届全国大学生创新创业年会地方高校改革成果项目。