基于MATLAB的单相半桥和全桥逆变器

作者：Ravi Kansagara 

交流 （AC） 电源用于几乎所有的住宅、商业和工业需求。但交流电最大的问题是它无法存储以备将来使用。因此，交流电转换为直流电，然后直流电存储在电池 和 超级电容器中。现在，每当需要交流电时，直流电再次转换为交流电以运行基于交流电的设备。因此 ，将直流电转换为交流电的装置称为逆变器。

对于单相应用，使用单相逆变器。单相逆变器主要有两种类型：半桥逆变器和全桥逆变器。在这里，我们将研究如何构建这些逆变器，并将在 MATLAB 中模拟电路。

半桥逆变器

这种类型的逆变器需要两个电力电子开关 （MOSFET）。MOSFET 或 IGBT 用于开关目的。半桥逆变器的电路图如下图所示。

如电路图所示，输入直流电压为 Vdc = 100 V。此电源分为两个相等的部分。现在向 MOSFET 提供栅极脉冲，如下图所示。

根据输出频率决定 MOSFET 的 ON 时间和 OFF 时间，并产生栅极脉冲。我们需要50Hz 的交流电源，因此一个周期（0 《 t 《 2π）的时间周期为 20 毫秒。如图所示，MOSFET-1在前半个周期（0 《 t 《 π） 内被触发，在此期间 MOSFET-2 不被触发。在此时间段内，电流将沿下图箭头方向流动，完成交流输出的半个周期。来自负载的电流从右到左，负载电压等于+Vdc/2。

在后半周期（π 《 t 《 2π），MOSFET-2 被触发，低压源与负载相连。来自负载的电流是从左到右的方向，负载电压等于-Vdc/2。在这段时间内，电流将如图所示流动，完成交流输出的另一半周期。

全桥逆变器

在这种类型的逆变器中，使用了四个开关。半桥和全桥逆变器的主要区别在于输出电压的最大值。在半桥逆变器中，峰值电压是直流电源电压的一半。在全桥逆变器中，峰值电压与直流电源电压相同。全桥逆变器的电路图如下图所示。

MOSFET 1 和 2 的栅极脉冲相同。两个开关同时工作。类似地，MOSFET 3 和 4 具有相同的栅极脉冲并同时工作。但是，MOSFET 1 和 4（垂直臂）绝不会同时工作。如果发生这种情况，则直流电压源将被短路。

对于上半周期（0 《 t 《 π），MOSFET 1 和 2 被触发，电流将如下图所示流动。在这个时间段内，电流从左向右方向流动。

对于下半周期（π 《 t 《 2π），MOSFET 3 和 4 被触发，电流将如图所示流动。在这个时间段内，电流从右向左方向流动。在这两种情况下，峰值负载电压与直流电源电压 Vdc 相同。

MATLAB中半桥逆变器的仿真

对于仿真，在 Simulink 库的模型文件中添加元素。

1） 2 个直流电源 – 每个 50V
2） 2 个 MOSFET
3） 阻性负载
4） 脉冲发生器
5） 非门
6） 电源贵
7） 电压测量
8） GOTO 和 FROM

根据电路图连接所有组件。半桥逆变器模型文件的屏幕截图如下图所示。

栅极脉冲 1 和栅极脉冲 2 是 MOSFET1 和 MOSFET2 的栅极脉冲，由栅极发生器电路产生。门脉冲由 PULSE GENERATOR 生成。在这种情况下，MOSFET1 和 MOSFET2 不能同时触发。如果发生这种情况，则电压源将短路。当 MOSFET1 关闭时，MOSFET2 将打开，当 MOSFET2 关闭时，MOSFET1 将打开。因此，如果我们为任何一个 MOSFET 生成栅极脉冲，那么我们可以切换该脉冲并用于其他 MOSFET。

门脉冲发生器

上图显示了MATLAB 中脉冲发生器模块的参数。周期为2e -3 表示 20 毫秒。如果需要 60Hz 频率输出，则周期为 16.67 毫秒。脉冲宽度以周期百分比表示。这意味着，仅针对该区域生成栅极脉冲。在这种情况下，我们将其设置为 50%，这意味着产生了 50% 的周期门脉冲，而没有产生 50% 的周期门脉冲。相位延迟设置为 0 秒，这意味着我们没有给门脉冲任何延迟。如果有任何相位延迟，则意味着在此时间之后将产生门脉冲。例如，如果相位延迟为 1e-3，则门脉冲将在 10 毫秒后产生。

通过这种方式，我们可以为 MOSFET1 生成栅极脉冲，现在我们将切换此栅极脉冲并将其用于 MOSFET2。在模拟中，我们将使用逻辑非门。与输出相反的非门意味着它将1转换为0和0转换为1。这就是我们可以精确地获得相反的门脉冲的方法，这样直流电源就不会短路。

实际上，我们不能使用 50% 的脉冲宽度。MOSFET 或任何电源电气开关需要很短的时间才能关闭。为避免源极短路，脉冲宽度设置在 45% 左右，以留出 MOSFET 关断的时间。此时间段称为死区时间。但是，出于模拟目的，我们可以使用 50% 的脉冲宽度。

半桥逆变器的输出波形

此屏幕截图适用于负载上的输出电压。在这张图中，我们可以看到，负载电压的峰值为 50V，是直流电源的一半，频率为 50Hz。对于完整的一个周期，所需时间为 20 毫秒。

MATLAB中全桥逆变器的仿真

如果你得到半桥逆变器的输出，那么很容易实现全桥逆变器，因为大多数事情都保持不变。在全桥逆变器中，我们只需要两个栅极脉冲，这与半桥逆变器相同。一个栅极脉冲用于 MOSFET 1 和 2，该栅极脉冲的反相用于 MOSFET 3 和 4。

所需元素

1） 4 – MOSFET
2） 1 个直流电源
3） 阻性负载
4） 电压测量
5） 脉冲发生器
6） GOTO 和 FROM
7） 电源GUI

连接所有组件，如下面的屏幕截图所示。

全桥逆变器的输出波形

此屏幕截图适用于负载上的输出电压。在这里我们可以看到，负载电压的峰值等于100V的直流电源电压。