基于 Simulink 的三相全桥 SPWM 逆变器仿真(含 50Hz/32V 输出实现)

这是一个三相两电平电压型逆变器的 Simulink 仿真模型,

目标是实现:

输出频率:50Hz 工频正弦波

线电压有效值:32V±0.25V

额定线电流:2A

调制方式:正弦脉宽调制(SPWM)

整个模型分为三部分:SPWM 驱动生成、三相全桥主电路、LC 滤波与负载。

50Hz 换算成 rad/s 就是 2π×50

SPWM 驱动生成部分(左侧)

核心逻辑是三相正弦调制波 + 三角载波比较,生成 6 路互补 PWM 信号:

  • 3 路 Sine Wave 模块:输出互差 120° 的 50Hz 正弦波,幅值设为 0.87(调制比)
  • 1 路 Triangle Generator 模块:输出 ±1 的高频三角波(载波频率 1kHz)
  • 3 个 Relational Operator 模块:用逻辑比较调制波与载波,生成上管驱动
  • 3 个 NOT 反相器:生成互补的下管驱动,避免上下管直通

直流母线电压(输入)和三相线电压有效值(输出)的关系是:

ULL​=0.612×m×Vdc​

ULL​=32V ,目标值

m为调制比

什么是调制比 m?

它是调制波幅值三角载波幅值的比值: m=Acarrier​/Amod​​ 模型里:

  • 调制波幅值 Amod=0.87
  • 三角载波幅值 Acarrier=1
  • 所以 m=0.87,刚好在 0~1 的线性调制区,不会过调制

调制比 m=1 时,波形会进入 "过调制边缘",谐波会明显增大,输出波形质量变差

m < 1(线性区,如你现在 m=0.87) 调制波全程在载波范围内,PWM 脉冲均匀、规律。 谐波集中在高频段,容易被 LC 滤波器滤除,最终输出波形光滑、畸变小,这是正常工作区间。

m = 1(临界状态) 调制波峰值刚好顶到载波最大值。 波形开始靠近饱和,部分区间脉冲排布变密 / 变疏,谐波小幅增加,滤波后波形开始轻微失真。

m > 1(过调制) 调制波超出 ±1 范围,此时比较器输出不再随正弦波线性变化: 波形顶部被 "削平",PWM 脉冲不再按正弦规律变化。 新增大量低次谐波(低频率谐波) 低次谐波很难被 LC 滤掉(你的 LC 主要滤高频)

设置 60V 输入,是为了刚好适配32V 线电压的目标,同时保证 SPWM 工作在线性调制区,不出现过调制

目标线电压是 32V,我们反推需要的母线电压下限: Vdc​≥0.612/ULL​​=0.612/32​≈52.3V 也就是说,要输出 32V 线电压,直流母线电压至少要 52.3V,否则即使满调制(m=1)也达不到目标电压。

ULL​=0.612×m×Vdc​=0.612×0.87×60≈32V 完美

控制代码逻辑也是这样。稍加限幅即可。

三相全桥主电路(右侧上半部分)

由 6 个 MOSFET 组成三相全桥拓扑:

  • 直流母线电压:60V
  • 每相桥臂由上下两个 MOS 管组成,分别由互补的 PWM 信号驱动
  • 每个桥臂的中点输出经过 LC 滤波后,形成三相交流电压

LC 滤波与负载(右侧下半部分)

为了滤除 PWM 载波谐波,得到纯净的正弦波输出,采用 LC 低通滤波 + 三相星形负载:

  • 滤波电感 L:2mH
  • 滤波电容 C:22μF
  • 星形电阻负载:每相约 9Ω,模拟 2A 额定电流工况

50Hz 基波、载波 1kHz 左右、三相 SPWM 逆变场景, L、C、电阻的选型逻辑、计算和原因,对应你现在的参数:L=2mH,C=22μF,R=9Ω

LC 低通滤波器作用:

保留 50Hz 工频基波(有用信号);

滤除 三角载波及其倍频谐波(高频毛刺);

抑制空载 LC 谐振升压、振荡。

设计核心规则:

LC 谐振频率 f0​ 必须满足:

总结(精简版) LC 组合:2mH + 22μF 谐振频率≈759Hz,远离 50Hz 基波、低于 1kHz 载波,滤波效果好、无谐振风险,是小功率 SPWM 逆变经典搭配。

电感 2mH:不大不小,滤波足够,基波压降可忽略,不拉低输出电压。

电容 22μF:兼顾平滑波形与抑制 LC 振荡,不会过度抬压。

每相 9Ω 电阻:按额定 2A 电流计算得出,带载阻尼谐振,让电压、波形回归设计值。

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