與整流相對應，把直流電變成交流電稱為逆變。當交流側接在電網上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變；當交流側直接和負載連接時，稱為無源逆變。又逆變電路根據直流側電源性質不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路；它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。其中，電壓源型逆變電路有以下主要特點：直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源，直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗；由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同；當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術的重要理論基礎是面積等效原理，即：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。如果把這些脈沖序列用相同數量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，就可得到圖1-1所示的脈沖序列，這就是PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM波。SPWM方式控制波形可分為單極性和雙極性。

圖1-1  用PWM波代替正弦波

圖1-2 單極性SPWM控制方式波形

如圖1-2所示為單極性SPWM控制方式波形，即如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。根據面積等效原理，不難得知SPWM還可等效為圖1-3中所示的PWM波，這種波形稱為雙極性SPWM波形，即如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。

圖1-3 雙極性SPWM控制方式波形

PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種，目前實際應用的幾乎都是電壓型電路，因此本節主要分析電壓型逆變電路的控制方法。要得到需要的PWM波形有兩種方法，分別是計算法和調制法。根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形，這種方法稱為計算法。由于計算法較繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。與計算法相對應的是調制法，即把希望調制的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，在調制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形，這種情況應用最廣。因此本設計采用調制法進行仿真，而且三相橋式PWM逆變電路都是采用雙極性控制方式。

圖2-1是采用IGBT作為開關器件的三相橋式PWM逆變電路。

圖2-1 三相橋式PWM逆變電路

三相橋式逆變器有六個帶反并聯續流二極管的IGBT組成，分別為VT1~VT6，直流側由兩個串聯電容，他們共同提供直流電壓Ud，負載為三相星形接法的阻感負載，調制電路分別由三相交流正弦調制波形和三角載波組成。其中三角載波頻率和正弦調制波頻

率之比稱為載波頻率，調制波幅值和載波幅值之比稱為調制度(也稱調制比，0<m1)，這

是SPWM調制中的兩個重要參數。三角載波和正弦調制波相互調制產生六路脈沖信號分

圖2-2 三相橋式PWM逆變電路波形

別給六個IGBT提供觸發信號。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波，三相的調制信號、和依次相差120°。U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當 > 時，給上橋臂V1以導通信號，給下橋臂V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點N’ 的輸出電壓 =/2。當 < 時，給V4以導通信號，給V1以關斷信號，則=/2。V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1(V4)加導通信號時可能是V1(V4)導通也可能是二極管VD1(VD4) 續流導通，這要由阻感負載中                                 

電流的方向來決定，這和單相橋式PWM逆變電路在雙極性控制時的情況相同。V相及W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖2-2所示。可以看出， 、和的PWM波形都只有±/2兩種電平。圖中的線電壓的波形可由 - 得出。可以看出，當橋臂1和6導通時， = ，當橋臂3和4導通時， = -，當橋臂1和3或橋臂4和6導通時， = 0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由±和0三種電平構成。圖2-2中的負載相電壓可由下式求得

從波形上和上式可以看出，負載相電壓的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五種電平組成。

方案設計好了，原理也已分析的差不多了，接下來最重要的一環就是仿真了，首先三相SPWM逆變器要想工作，最重要的就是按要求生成三相SPWM信號波。

將正弦波和三角波按照調制度和載波比進行一些比較和運算，便可調制出所需的SPWM信號波。仿真過程中涉及到具體逆變器電路的調制比計算問題：

輸出線電壓的基波幅值與直流電源電壓的關系如下，

                     =0.866m                       (3-1)

輸出線電壓的基波有效值為，

                                            =0.612m                         (3-2)

假如本設計要求是：直流電源電壓為400V，輸出線電壓基波幅值為300V(50Hz)，根據式3-1可得m=300/400/0.866=0.866 。

根據原理分析，本設計采用雙極性PWM控制方式波形，公用一個等腰三角載波，采用三個幅值、頻率相同相位互差120°的三相交流正弦波形作為調制波。三相SPWM控制波形的發生電路如圖3-1所示，在Simulink的“Source”庫中選擇“Clock”模塊，以提供仿真時間t,乘以后，再通過一個“sin”模塊即為sin，乘以調制比m(圖中Constant常量模塊)后可得到所需的正弦波調制信號，通過設置相位即可產生三相正弦波信號。三角載波信號由“Source”庫中的“Repeating Sequence”模塊產生,參數設置為[0  1//4  3//4  1/]和[0  -1  1  0],其中，fc為載波的頻率，也叫PWM開關頻率，比如設置開關頻率為3kHz，將fc替換成3000即可。另外，示波器采樣頻率設置高一些，便可生成頻率為的三角載波。將調制波和載波通過一些運算與比較，即可得出三相SPWM觸發脈沖波形。圖3-2給出了調制信號和三角載波波形。

圖3-1 三相SPWM控制波形發生電路

圖3-2 三相SPWM控制波形

為了使仿真簡便，參數易于設置，而且SPWM是應用非常廣泛的一種控制方式，因此圖3-1所示的SPWM發生電路已封裝成子模塊。

三相電壓源型SPWM逆變器仿真電路如圖3-3所示，且負載為阻感負載（R=10Ω，電感L=10mH）。

圖3-3 三相電壓源型SPWM逆變器

設置參數，將調制度m設置為0.866，調制波頻率設為50Hz，載波比N一般取3的整數倍以使三相輸出波形嚴格對稱，設為基波的60倍（載波比N=60），即載波頻率為3000Hz，仿真時間設為0.04s(實際仿真調試中仿真0.04s已足夠分析)，在powergui(powergui是電力圖形用戶界面，是電路和系統分析的圖形界面，提供了相當豐富的分析工具)中設置為離散仿真(Discrete)模式，采樣時間設為5e-006s，運行仿真圖形。

運行程序，便可得到輸出波形，如圖3-4所示：

（從上到下依次為：負載電流、線電壓Vab和相電壓Va）

圖3-4 三相電壓源型SPWM逆變電路輸出波形

分析上圖可知，逆變器的輸出線電壓PWM波由±和0三種電平構成，負載相電壓的PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共五種電平組成，與第2章中圖2-2的分析一致，說明仿真正確。下面對輸出波形進行FFT分析。

已知= 400V，載波頻率和調制信號頻率分別為3000Hz和50Hz，載波比N=60。輸出線電壓的FFT分析結果如圖3-5所示，據圖可知，輸出線電壓的基波幅值為300.5V，與要求的輸出300V誤差很小，仿真結果正確，諧波分布中最高的為56、64次諧波，考慮最高頻率為9000Hz時諧波總畸變率THD=83.32% 。輸出相電壓的FFT分析結果如圖3-6所示，據圖可知，輸出相電壓的基波幅值為173.4V=300.5/ V，說明三相波形基本對稱，考慮最高頻率為9000Hz時諧波總畸變率THD=83.38% 。輸出相電流的FFT分析結果如圖3-7所示，據圖可知，輸出相電流的基波幅值為16.55A，考慮最高頻率為9000Hz時諧波總畸變率THD=7.27% ，近似為正弦波。

圖3-5 輸出負載線電壓的FFT分析

圖3-6 輸出負載相電壓的FFT分析

圖3-7 輸出負載相電流的FFT分析

經過以上對輸出波形的FFT分析，可知輸出負載線電壓(或者相電壓)的諧波含量非常高，實際應用中需要加入濾波電路以使輸出電壓、電流近似為正弦波。在此可以用MATLAB設計一個簡單的LC濾波器(參數為調試的粗略參數，在此不進行相關的復雜計算)。電路如圖3-8所示：

圖3-8 帶濾波器的SPWM逆變器

輸出相電壓的FFT分析結果如圖3-9所示，從圖中可以看出，輸出相電壓近似為正弦波，基波幅值為178.2V，考慮最高頻率為9000Hz時THD=1.58% ，可見低通濾波器會稍微影響到輸出的電壓值，但可以大大減少諧波含量，可以使負載運行在最佳狀態。

圖3-9 濾波后的輸出相電壓FFT分析

綜上所述，PWM控制方法主要是正弦調制信號波和三角波載波相比較的方法。由PWM控制原理和諧波分析可知，當載波比足夠高時，用這種方法所得到的輸出波形中不含低次諧波，只含和載波頻率有關的諧波。輸出波形中所含諧波的多少是衡量PWM控制方法優劣的重要標志，但不是唯一的標志。提高逆變電路的直流電壓利用率、減少開關次數等也是很重要的。直流電壓利用率是逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值U1m和直流側電壓Ud之比，提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力。減少功率器件的開關次數可以降低開關損耗。此外，不同的負載性質和不同的應用場合對逆變電路都會有不同的要求。因此，實際中有多種改進方法以提高PWM型逆變電路綜合性能或某一特別關心的性能。