用MATLAB实现单相半桥和全桥逆变器

交流电(AC)电源几乎用于所有的住宅、商业和工业需求。但是交流电最大的问题是它不能储存起来以备将来使用。交流电被转换成直流电，然后直流电被储存在电池和超级电容器中。现在，每当需要交流时，直流又被转换成交流电来运行基于交流电的电器。所以把直流电转换成交流电的装置就叫做逆变器。

对于单相应用，采用单相逆变器。单相逆变器主要有两种：半桥式逆变器和全桥式逆变器。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。

半桥式逆变器

这种类型的逆变器需要两个功率电子开关(MOSFET)。MOSFET或IGBT用于开关目的。半桥式逆变器的电路图如下图所示。

如图所示，输入直流电压为Vdc = 100v。这个源被分成两个相等的部分。现在将栅极脉冲输入到MOSFET，如下图所示。

根据输出频率决定MOSFET的导通时间和关断时间，并产生门脉冲。我们需要50Hz的交流电源，所以一个周期(0 < t < 2π)的时间周期为20msec。如图所示，MOSFET-1在前半周期(0 < t < π)被触发，在此期间MOSFET-2未被触发。在此时间段内，电流将沿下图箭头方向流动，完成半个周期的交流输出。负载电流从右到左，负载电压等于+Vdc/2。

在第二个半周期(π < t < 2π)，触发MOSFET-2，低电压源与负载连接。负载电流为左向右，负载电压为-Vdc/2。在此时间段内，电流将如图所示流动，交流输出的另一半周期完成。

全桥逆变器

在这种类型的逆变器中，使用四个开关。半桥逆变器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MOSFET 2的栅极脉冲相同。两台交换机同时工作。同样，MOSFET 3和MOSFET 4具有相同的栅极脉冲并同时工作。但是，MOSFET 1和4(垂直臂)从不同时工作。如果发生这种情况，那么直流电压源就会短路。

对于上半周期(0 < t < π)， MOSFET 1和2被触发，电流将如下图所示。在这段时间内，电流由左向右流动。

对于下半周(π < t < 2π)，触发MOSFET 3和4，电流如图所示。在这段时间内，电流从右流向左。在这两种情况下，峰值负载电压与直流电源电压Vdc相同。

半桥式逆变器的MATLAB仿真

从Simulink库中添加模型文件中的元素进行仿真。

1) 2个直流电源-每个50V

2)2 MOSFET

3)电阻性负载

4)脉冲发生器

5)非门

6) Powergui

7)电压测量

8)GOTO和FROM

按照电路图连接所有元件。半桥逆变器模型文件的截图如下图所示。

门脉冲1和门脉冲2是由栅极发生器电路产生的MOSFET1和MOSFET2的门脉冲。栅极脉冲由脉冲发生器产生。在这种情况下，MOSFET1和MOSFET2不能同时触发。如果发生这种情况，那么电压源将短路。当MOSFET1闭合时，此时MOSFET2处于打开状态，当MOSFET2闭合时，此时MOSFET1处于打开状态。因此，如果我们为任何一个MOSFET产生栅极脉冲，那么我们可以切换该脉冲并用于其他MOSFET。

栅极脉冲发生器

上图显示了MATLAB中脉冲发生器模块的参数。周期是2e-3表示20毫秒。如果你需要60Hz的频率输出，那么周期将是16.67毫秒。脉冲宽度用周期的百分比表示。也就是说，栅极脉冲只在这个区域产生。在这种情况下，我们将其设置为50%，这意味着产生50%周期的门脉冲，而不产生50%周期的门脉冲。相位延迟设置为0秒，意味着我们没有给门脉冲任何延迟。如果有相位延迟，则表示在此时间之后将产生门脉冲。例如，相位延迟为1e-3，则在10msec后产生门脉冲。

通过这种方式，我们可以为MOSFET1生成门脉冲，现在我们将切换这个门脉冲并将其用于MOSFET2。在模拟中，我们将使用逻辑非门。非门反向输出意味着它将转换1到0和0到1。这就是如何，我们可以准确地得到相反的门脉冲，使直流电源永远不会短路。

在实际中，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关闭。为了避免源短路，脉宽设置在45%左右，以允许mosfet关闭的时间。这段时间被称为死亡时间。但是，为了模拟的目的，我们可以使用50%的脉冲宽度。

半桥逆变器输出波形

这个屏幕截图是整个负载的输出电压。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。完成一个周期所需时间为20毫秒。

全桥逆变器的MATLAB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，因为大多数事情保持不变。在全桥逆变器中，我们只需要两个门脉冲，这与半桥逆变器相同。一个栅极脉冲用于MOSFET 1和2，这个栅极脉冲的逆用于MOSFET 3和4。

所需的元素

1) 4–MOSFET

2) 1个直流电源

3)电阻性负载

4)电压测量

5)脉冲发生器

6)GOTO和FROM

7) powergui

连接所有组件，如下面的截图所示。

全桥逆变器输出波形

这个屏幕截图是整个负载的输出电压。在这里我们可以看到，负载电压的峰值等于直流电源电压100V。

本文编译自circuitdigest