2024年3月14日发(作者：糜含之)

PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器

一、实验目的

1. 加深对SPWM基本原理的理解

2. 熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。

3. 掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽

度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。

二、实验设备

表4-1 实验所需设备表

序号 型号

三相逆变器试验模块

1

源模块、驱动电源与开关驱动器模块、

PEK-130

JTAG刻录模块

备注

该实验模块包含DSP控制模块、辅助电

2 4CH数字示波器 GDS-2204E(4CH, 200MHz)

3 直流电源供应器 PSW 160-7.2(160V, 7.2A)

4

5

单相交流被动式负载

Win7 64位操作系统的

GPL-100

安装PSIM软件、CCS软件

电脑一台

6

7

万用表

U盘

记录示波器波形

容量不是特别大的，USB2.0的U盘，

三、实验原理

(一)、单相桥式电路（H桥）拓扑及其工作原理

电压型全桥逆变电路共有四个开关管：T

1

、T

2

、T

3

、T

4

和四个续流二极

管二极管D

1

、D

2

、D

3

、D

4

，如图4.1所示。当T

1

、T

4

导通时，V

ab

=V

D

；当

T

2

、T

3

导通时，V

ab

=-V

D

；当T

1

、T

3

导通时V

ab

=0；当T

2

、T

4

导通时，V

ab

=0

（其中T

1

、T

2

不能同时导通；T

3

、T

4

不能同时导通）。因此控制四个开关管的

通断可以控制输出电压在V

D

、-V

D

、0之间变化。

(二)、SPWM 的原理

采样控制理论有一个重要的原理——冲量等效原理：大小、波形不相同的

窄脉冲变量，例如电压V(t)，作用于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们

的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。

T

1

D

1

T

3

a

D

3

L

1

V

D

D

2

T

4

b

T

2

D

4

C

1

Z

V

o

图3-1 单相桥式逆变电路的拓扑结构

图3-2 用SPWM电压等效正弦电压

如果将图3-2所示的标准正弦波等分成很多份，那么一个连续的正弦波也可

以看作是一系列幅值为正弦波片段的窄脉冲组成。如果每个片段的面积分别与①、

②、③…所示一系列等宽不等高的矩形窄脉冲的面积相等，那么从冲量等效的观

点看，由①、②、③…这些等宽不等高矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是

等效的。进一步，如果让图3-1所示逆变器产生如图3-2所示一系列幅值为±U

d

的等高不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的面积（冲量）分别与①、②、③…

面积相等，于是图3-2中的登高不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。

作用于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。

※

(三)、双极性正弦脉冲宽度调制（重点）

图3-3 双极性正弦脉宽调制输出波形

基于载波的SPWM如图3-3所示，图中的高频三角波v

c

成为载波，正弦波

v

r

称为调制波或参考调制波。开关管信号V

G

>0时表示驱动对应的开关管导通，

V

G

<0时表示关断对应的开关管。图中三角波v

c

和正弦波v

r

的交点时刻就是开关

管驱动信号的变化时刻。

当v

r

>v

c

时，使V

G1

>0、V

G4

>0，同时驱动对角线两个开关管T

2

、T

4

导通；使

V

G2

<0、V

G3

<0时关断对角线两个开关管T

2

、T

3

，这时v

ab

=V

D

。

当v

r

>v

c

时，使V

G1

>0、V

G3

>0，同时驱动对角线两个开关管T

2

、T

4

导通；使

V

G2

<0、V

G3

<0时关断对角线两个开关管T

2

、T

3

，这时v

ab

=-V

D

。

从如图3-3可以看出任何一个载波周期内，逆变器输出电压v

ab

都既有正值

也有负值，故称这种调制方式为双极性SPWM。

图3-4 双极性调制脉冲电压占空比及平均值

当载波频率f

c

远大于调制波频率f

r

时，可近似认为在一个载波周期T

c

内，

调制波的值v

r

不变。则如图3-4所示基于几个关系可得到一个周期内v

ab

=V

D

的

占空比

D

T

K

ABBF

V

cm

v

r

1

v

g(1

r

)

（4-1）

T

C

AEEH2V

cm

2V

cm

一个载波周期T

c

内，输出电压的平均面积为

V

ab

[T

k

gV

D

(T

C

T

K

)V

D

]/T

C

(2T

K

/T

C

1)V

D

(2D1)V

D

（4-2）

将式（4-1）带入（4-2）可得到

V

ab



V

D

gv

r

(4-3)

V

cm

从式（4-3）可知，每个载波周期输出电压平均面积和当前v

r

大小成比例，

这说明每个载波周期输出的平均电压按正弦规律变化，符合冲量等效原理。

当载波频率很高时，由式（4-3），逆变器输出的几波电压瞬时值可以认为是

Vsin



r

tV

v

r

(t)

V

D



rm

V

D



rm

gV

D

gsin



r

tMgV

D

gsin



r

tV

1m

sin



r

t（4-4）

V

cm

V

cm

V

cm

v

ab1

(t)

式中，V

1m

是输出几波电压的峰值， M为调制比

M

V

rm

V

1m



（4-5）

V

cm

V

D

式（4-5）表明，逆变器输出的基波电压和调制波v

r

具有相同的频率和相位，

同时SPWM输出的基波电压大小和调制比M成正比。

对SPWM输出波形进行傅里叶分析可以得知， 输出电压中除基波外仅含有与开

关频率倍数相对应的某些高次谐波，相较单脉波脉冲宽度调制PWM消除了许多

低次谐波。开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，经过LC滤

波器滤波后，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。

※

(四)、单极性倍频正弦脉冲宽度调制（重点）

与双极性SPWM对应，如果调制波的正半周期仅出现正向电压脉冲，调制

波的负半轴仅出现负向电压脉冲，这种调制方式成为单极性SPWM调制。

对图3-1所示的T

1

、T

2

桥臂和T

3

、T

4

桥臂分别进行双极性SPWM调制。

两个桥臂公用一个调制波v

r

，不同之处在于T

1

、T

2

桥臂的三角载波是v

c

，而

T

3

、T

4

桥臂使用的三角载波是将v

c

反向或移相180°得到的-v

c

。

T

1

、T

2

和T

3

、T

4

桥

臂的驱动脉冲的变化时刻就是图3-5所示的调制波和各自载波的交点。可以由

图3-5看出对应于基波电压正、负半周，SPWM波形仅出现正、负脉冲，所以

称为单极性SPWM。

图3-5单极倍频正弦脉宽调制输出波形

图3-6 单极倍频正弦脉宽调制脉冲电压占空比及平均值

由图3-6可以清晰地看到在一个载波周期T

c

中生成了两个驱动脉冲，产生

了脉冲数倍增的效果，所以这种调制方式也称为单级倍频SPWM调制。

与双极性SPWM的分析类似。假设载波频率足够高，在一个载波周期v

r

的

大小不变。由图3-6可得，第k个脉冲的占空比为

D

k



T

k

T/2

FCFB

v

r

V

rm

sin



k



k



（4-6）

T

c

/2T

c

/4ECEAV

cm

V

cm

其中α

k

表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。

半个载波周期内输出电压的平均面积为

TVsin



k

V

ab

V

D

g

k

V

D

g

rm

(4-7)

T

c

/2V

cm

当载波频率很高时，根据（4-7）逆变器输出的基波电压瞬时值可以认为是

V

v

ab1

(t)V

D

g

rm

gsin



r

tMgV

D

gsin



r

tV

1m

sin



r

t

（4-8）

V

cm

V

1m

是输出基波电压的幅值，

M

V

rm

V

1m



，定义为调制比。

V

cm

V

D

单极性SPWM同样具有消除地次谐波，使谐波分量高频化的特点。分析可

知，单极性SPWM在不提高每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波频率提

高到两倍载波频率附件，更容易滤除。因此在单相全桥逆变器应用中，单极倍频

SPWM比双极性SPWM优越。对于单极倍频调制，当2N数值较大，通常认为

（2N-1）f

r

的谐波为主要低次谐波，是滤波器设计时需要重点考虑滤除的谐波。

四、实验内容

说明：本实验是一个单相逆变实验，由于实验室没有单相逆变模块，也没

有三相负载，有三相逆变模块(PEK-130)和单相交流负载(GPL-100)，所以用三

相桥中的其中任意两桥臂结合单相负载搭建单相逆变实验。该指导书中用的是

1、3两桥臂，即U、W桥臂。原理图如下图4-1所示，实验中采用输出采用

LC滤波，滤波电容C

1

、C

2

、C

3

采用△连接。

1

VT

1

2

VT

3

3

VT

5

L

1

C

1

C

2

a

C

3

u

dc

U

V

W

L

2

L

3

b

c

VT

2

VT

4

VT

6

u

r

u

c

PWM

生成触

发脉冲

图4-1实验逆变器原理图

实验内容包括：

1. 仿真。本实验需搭建双极性SPWM和单极倍频SPWM两种调制方式下

的仿真电路。

2. 实物。将单极倍频SPWM调制方式下的仿真电路转换成数控方式，生成

C代码，烧录到三相逆变器模块(PEK-130)，连接实物电路，完成实体实验。

五、实验步骤

（一）仿真搭建

在PSIM里新建一个电路绘制页面，搭建如下图5-1所示仿真电路：

图5-1实验仿真图

在前面三个实验的基础上想必大家对PSIM已经有所了解，而且大部分元器

件在PSIM最下面的工具栏可以直接找到，故在这里就不一一指明每个元器件的

位置，只给出元器件的参数配置，同时给出部分元器件的位置。对于没有给出位

置的元器件都可以通过Viem/Library Browser或则点击下图中箭头指示工具找到。

图5-2 元器件位置浏览

1.主电路

在下图中左侧为元器件，右侧为其对应的参数配置。

图5-3 元器件参数配置

上图中第二个为节点标签(Label)，在主电路中总共有9个，其余8个在主电

路中如图5-1所示，名字(参数)配置依次是Ioa、Iob、Ioc、Voa、Vob、Voc、ILa、

ILc，标签(Label)在如下图指头所指处可以找到。

图5-4 元器件参数配置

图5-5 元器件参数配置

在主电路中有3个电感，3个电容，电感的值都一样L1=L2=L3=1mH，电容

的值都一样都是C1=C2=C3=1uf，有5个电流传感器，值都是1/3.375。主电路中

其余的是6个MOSFET开关管和电压、电流表，MOSFET参数采用默认值，电

压电流表注意连接方向，带有o的一端为正。

2.输出检测电路

图5-6 元器件参数配置

在输出检测电路中总共6个标签，3个电压传感器，如图5-1所示。上面三

个标签从左至右值依次是Voc、Vob、Voa，下面三个标签从左至右值依次是Voca、

Vobc、Voab，3个电压传感器的值都是1/100。

3.按键模拟电路

图5-7 元器件参数配置

图5-8 元器件参数配置

在按键模拟电路中有2个Start PWM模块，PWM Source分别是PWM1、

PWM3。2个Stop PWM模块，PWM Source分别也是PWM1和PWM2。

4.A/D转化电路

图5-9 元器件参数配置

A/D转化电路中共8个标签(Label)，值从左至右依次是Voca、Vobc、Voab、

ILa、ILc、Ioc、Iob、Ioa，8个限幅模块(Limiter)，值都是-1.5—1.5，8个零阶保

持器(Zero-Order-Hold)，采样频率都是18k。

图5-10 元器件参数配置

A/D模块参数默认，共9个SCI output，从左至右模块中Name依次是

Psm_Voca、Psm_Vobc、Psm_Voab、Psm_ILa、Psm_ILb、Psm_ILc、Psm_Ioc、Psm_Iob、

Psm_Ioa，在电路连接时注意A/D Computer模块各引脚的对应。

5.调制波产生电路

图5-11 元器件参数配置

在调制波产生电路中零阶保持器(Zero-Order-Hold)是18k。正弦模块(Sine)、

乘数模块(Multiplier)乘数默认，2个标签的名字从左至右依次是Vconc、Vcona。

6.驱动脉冲产生电路

图5-12 元器件参数配置

在PWM调制产生驱动脉冲电路中有2个限幅(Limiter)模块，值都是-5~5，

2个SCI Output模块，从左至右Name的值依次是PSM_Vcona、PSM_Vconc，2

个标签(Label)模块，从左至右值是Vcona、Vconc。零阶保持器采样频率18k。

图5-13 元器件参数配置

两个1-phase PWM模块参数配置在PWM Source有区别，分别是PWM1和

PWM3，其余的参数设置一样。

7.全局参数配置部分

图5-14 全局参数配置

(二)、实体电路实验

1.生成C代码及烧录

① 搭建完成仿真电路以后在确保电路无误的前提下点击菜单Simulate

Generate Code即可生成C代码，同时自动生成一个包含C代码的文件夹，这个

文件夹和之前建的仿真电路文件在同一个文件夹下。如下图5-15所示：

图5-15 生成程序图

② 打开CCS软件，菜单ProjectImport Legacy CCSV3.3 Projects…Select

a Project fileBrowse(找到刚才生成的C代码文件加载进来)NextfinishOK

即可把工程加载进来，加载完成以后的结果会在左侧显示，如下图5-16所示。

图5-16 工程加载完成图

③ 点击工具栏中的锤子标志，对程序进行检查，如下图5-17所示，检查

完以后在Description栏应该是没有0 errors，如果有errors表示程序有误，需检

修改程序(有Warnings标志不影响)。

程序检查按钮

正确结果

图5-17 程序检查图

④ 右键点击工程PropertiesGeneralProjectVariant (选择2833X

Delfino，后面的框里再选择TMS320F28335)Connection(选择Texas Instructions

XDS100v1 USB Debug Probe)Linker Command file(选择)Apply and

Close，最后配置完成结果如下图5-18所示：

图5-18 工程配置图

⑤ 在PEK-130上连接好烧录器，在CCS工具栏点击虫子形状按键进行烧录，如

下图5-19所示：按照以上步骤即可将程序烧录到DSP中。

图5-19程序烧录

⑥ 通过通讯线将PEK-130模块的RS232借口接到PC机，在电脑上PSIM软件

里点击菜单UtilitiesDSP OscilloscopeConnect就可在电脑端观测到输出波形。

如下图5-20所示：

图5-20 电脑端实时观看输出波形

2.硬件接线

实验台子是固纬公司的PTS-1000，配置如下图5-21所示：

4CH数字

示波器

直流电源功率仪

交流电源

PEK130等模

块摆放处

单相交

流负载

直流负载

图5-21 PTS-100实验台

在本次单相逆变实验中用到4CH数字示波器(GDS-2204E)、直流电源(PSW

160-7.2)、单相交流负载(GPL-100)、PEK-130模块和辅助电源模块，PEK-130模

块和辅助电源模块如下图5-22所示：

PEK-130模块(逆

变器实验模块)

辅助电源模块

图5-22 实验模块

接线原理图如下图5-23所示：

直流电源

单相交流负载

辅助

电源

红黑线

Auxiliary

Power

Driver

Power

黑白线

J5

J3

PEK-130模块

J7

J4

J12

RS232

JTAG

观测端子

烧录器

电脑

示波器

图 5-23实验接线原理图

六、实验要求

1．实验前认真阅读实验指导书，预习实验内容，根据实验指导书搭建单极

倍频正弦脉冲宽度调制电路仿真。实验时根据仿真搭接试验台进行单级倍频正弦

脉冲宽度调制实验，并完成以下内容：

1）在PSIM中仿真，并记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器

输出电压波形，并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和谐波分布结果。

实验时测量并记录T

1

、T

2

的IGBT驱动PWM电压波形，观察并记录死区时间；

2）电路其他参数不变，改变调制度M分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1，观察

负载两端输出电压波形，并记录示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形），

并填写表4-2；

表4-2 不同调制波幅值下的负载电压

调制度(M)

计算值

实测值

0.2

0.4

0.6

0.8

1

f

c

3) 电路其他参数不变，设置调制度M为0.6，改变三角波（载波）的频率

依次为5kHz、10kHz、18kHz。运行程序，观察负载两端输出电压波形，并记录

示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。用示波器对输出电压波形进行

FFT分析（用U盘保存结果），并填写表4-3；

表4-3 不同载波频率下的负载电压

载波频率(f

c

/Hz)

THD

基波幅值

t

d

5k

10k

18k

4）电路其他参数不变，调制度M为0.6，载波频率f

c

为18k，改变死区时间

依次为5、10、15（单位为us）。运行程序并观察负载两端输出电压波形，记录

示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。用示波器对输出电压波形进行

FFT分析,，并填写表4-4；

表4-4 不同死区时间下的负载电压

死区时间(us)

THD

5

10

15

2.在单极性倍频正弦脉冲宽度调制仿真的基础上，修改仿真，搭建双极性正

弦脉冲宽度调制仿真。记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器输出

电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和

谐波分布结果。

3.在PSIM中搭建单脉冲调制仿真。记录当调制度M为0.6时的逆变器输出

电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和

谐波分布结果。

4.分析比较题1中1）、题2、题3中的三种调制方式下逆变器输出波形的

THD和谐波分析结果，思考不同调制方式下负载谐波分布各自有什么特点；THD

有什么特点？三种调制方式下负载两端的输出波形THD又有什么特点？

七、注意事项

1.如果在程序检查时出现如下图7-1所示错误，表示CCS新版本中已经不含

XDAIS v1.0.0，可按步骤:右击工程PropertiesGeneralProducts取消XDAIS，

如下图7-2所示。

图7-1 出现的错误

图7-2 解决办法

2.搭建仿真电路时注意元器件的方向带有o的一端为正，带有的一端为输

入。

C

3.仿真电路中元器件前面有

G

符号的才可以生成C代码。

4.实体接线中各插口都是防反插的，注意看准方向，不要硬怼。

5.上电顺序应该是先给控制板供电，再烧录程序，最后上主电，关断时刚好

相反。

6.记得带U盘，拷出示波器是的波形。

7.认真预习实验，实验前要检查实验报告，请认真参照指导书图5-1搭建仿

真电路，并根据实验指导书设定参数，可以减少出错率。

2024年3月14日发(作者：糜含之)

PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器

一、实验目的

1. 加深对SPWM基本原理的理解

2. 熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。

3. 掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽

度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。

二、实验设备

表4-1 实验所需设备表

序号 型号

三相逆变器试验模块

1

源模块、驱动电源与开关驱动器模块、

PEK-130

JTAG刻录模块

备注

该实验模块包含DSP控制模块、辅助电

2 4CH数字示波器 GDS-2204E(4CH, 200MHz)

3 直流电源供应器 PSW 160-7.2(160V, 7.2A)

4

5

单相交流被动式负载

Win7 64位操作系统的

GPL-100

安装PSIM软件、CCS软件

电脑一台

6

7

万用表

U盘

记录示波器波形

容量不是特别大的，USB2.0的U盘，

三、实验原理

(一)、单相桥式电路（H桥）拓扑及其工作原理

电压型全桥逆变电路共有四个开关管：T

1

、T

2

、T

3

、T

4

和四个续流二极

管二极管D

1

、D

2

、D

3

、D

4

，如图4.1所示。当T

1

、T

4

导通时，V

ab

=V

D

；当

T

2

、T

3

导通时，V

ab

=-V

D

；当T

1

、T

3

导通时V

ab

=0；当T

2

、T

4

导通时，V

ab

=0

（其中T

1

、T

2

不能同时导通；T

3

、T

4

不能同时导通）。因此控制四个开关管的

通断可以控制输出电压在V

D

、-V

D

、0之间变化。

(二)、SPWM 的原理

采样控制理论有一个重要的原理——冲量等效原理：大小、波形不相同的

窄脉冲变量，例如电压V(t)，作用于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们

的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。

T

1

D

1

T

3

a

D

3

L

1

V

D

D

2

T

4

b

T

2

D

4

C

1

Z

V

o

图3-1 单相桥式逆变电路的拓扑结构

图3-2 用SPWM电压等效正弦电压

如果将图3-2所示的标准正弦波等分成很多份，那么一个连续的正弦波也可

以看作是一系列幅值为正弦波片段的窄脉冲组成。如果每个片段的面积分别与①、

②、③…所示一系列等宽不等高的矩形窄脉冲的面积相等，那么从冲量等效的观

点看，由①、②、③…这些等宽不等高矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是

等效的。进一步，如果让图3-1所示逆变器产生如图3-2所示一系列幅值为±U

d

的等高不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的面积（冲量）分别与①、②、③…

面积相等，于是图3-2中的登高不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。

作用于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。

※

(三)、双极性正弦脉冲宽度调制（重点）

图3-3 双极性正弦脉宽调制输出波形

基于载波的SPWM如图3-3所示，图中的高频三角波v

c

成为载波，正弦波

v

r

称为调制波或参考调制波。开关管信号V

G

>0时表示驱动对应的开关管导通，

V

G

<0时表示关断对应的开关管。图中三角波v

c

和正弦波v

r

的交点时刻就是开关

管驱动信号的变化时刻。

当v

r

>v

c

时，使V

G1

>0、V

G4

>0，同时驱动对角线两个开关管T

2

、T

4

导通；使

V

G2

<0、V

G3

<0时关断对角线两个开关管T

2

、T

3

，这时v

ab

=V

D

。

当v

r

>v

c

时，使V

G1

>0、V

G3

>0，同时驱动对角线两个开关管T

2

、T

4

导通；使

V

G2

<0、V

G3

<0时关断对角线两个开关管T

2

、T

3

，这时v

ab

=-V

D

。

从如图3-3可以看出任何一个载波周期内，逆变器输出电压v

ab

都既有正值

也有负值，故称这种调制方式为双极性SPWM。

图3-4 双极性调制脉冲电压占空比及平均值

当载波频率f

c

远大于调制波频率f

r

时，可近似认为在一个载波周期T

c

内，

调制波的值v

r

不变。则如图3-4所示基于几个关系可得到一个周期内v

ab

=V

D

的

占空比

D

T

K

ABBF

V

cm

v

r

1

v

g(1

r

)

（4-1）

T

C

AEEH2V

cm

2V

cm

一个载波周期T

c

内，输出电压的平均面积为

V

ab

[T

k

gV

D

(T

C

T

K

)V

D

]/T

C

(2T

K

/T

C

1)V

D

(2D1)V

D

（4-2）

将式（4-1）带入（4-2）可得到

V

ab



V

D

gv

r

(4-3)

V

cm

从式（4-3）可知，每个载波周期输出电压平均面积和当前v

r

大小成比例，

这说明每个载波周期输出的平均电压按正弦规律变化，符合冲量等效原理。

当载波频率很高时，由式（4-3），逆变器输出的几波电压瞬时值可以认为是

Vsin



r

tV

v

r

(t)

V

D



rm

V

D



rm

gV

D

gsin



r

tMgV

D

gsin



r

tV

1m

sin



r

t（4-4）

V

cm

V

cm

V

cm

v

ab1

(t)

式中，V

1m

是输出几波电压的峰值， M为调制比

M

V

rm

V

1m



（4-5）

V

cm

V

D

式（4-5）表明，逆变器输出的基波电压和调制波v

r

具有相同的频率和相位，

同时SPWM输出的基波电压大小和调制比M成正比。

对SPWM输出波形进行傅里叶分析可以得知， 输出电压中除基波外仅含有与开

关频率倍数相对应的某些高次谐波，相较单脉波脉冲宽度调制PWM消除了许多

低次谐波。开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，经过LC滤

波器滤波后，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。

※

(四)、单极性倍频正弦脉冲宽度调制（重点）

与双极性SPWM对应，如果调制波的正半周期仅出现正向电压脉冲，调制

波的负半轴仅出现负向电压脉冲，这种调制方式成为单极性SPWM调制。

对图3-1所示的T

1

、T

2

桥臂和T

3

、T

4

桥臂分别进行双极性SPWM调制。

两个桥臂公用一个调制波v

r

，不同之处在于T

1

、T

2

桥臂的三角载波是v

c

，而

T

3

、T

4

桥臂使用的三角载波是将v

c

反向或移相180°得到的-v

c

。

T

1

、T

2

和T

3

、T

4

桥

臂的驱动脉冲的变化时刻就是图3-5所示的调制波和各自载波的交点。可以由

图3-5看出对应于基波电压正、负半周，SPWM波形仅出现正、负脉冲，所以

称为单极性SPWM。

图3-5单极倍频正弦脉宽调制输出波形

图3-6 单极倍频正弦脉宽调制脉冲电压占空比及平均值

由图3-6可以清晰地看到在一个载波周期T

c

中生成了两个驱动脉冲，产生

了脉冲数倍增的效果，所以这种调制方式也称为单级倍频SPWM调制。

与双极性SPWM的分析类似。假设载波频率足够高，在一个载波周期v

r

的

大小不变。由图3-6可得，第k个脉冲的占空比为

D

k



T

k

T/2

FCFB

v

r

V

rm

sin



k



k



（4-6）

T

c

/2T

c

/4ECEAV

cm

V

cm

其中α

k

表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。

半个载波周期内输出电压的平均面积为

TVsin



k

V

ab

V

D

g

k

V

D

g

rm

(4-7)

T

c

/2V

cm

当载波频率很高时，根据（4-7）逆变器输出的基波电压瞬时值可以认为是

V

v

ab1

(t)V

D

g

rm

gsin



r

tMgV

D

gsin



r

tV

1m

sin



r

t

（4-8）

V

cm

V

1m

是输出基波电压的幅值，

M

V

rm

V

1m



，定义为调制比。

V

cm

V

D

单极性SPWM同样具有消除地次谐波，使谐波分量高频化的特点。分析可

知，单极性SPWM在不提高每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波频率提

高到两倍载波频率附件，更容易滤除。因此在单相全桥逆变器应用中，单极倍频

SPWM比双极性SPWM优越。对于单极倍频调制，当2N数值较大，通常认为

（2N-1）f

r

的谐波为主要低次谐波，是滤波器设计时需要重点考虑滤除的谐波。

四、实验内容

说明：本实验是一个单相逆变实验，由于实验室没有单相逆变模块，也没

有三相负载，有三相逆变模块(PEK-130)和单相交流负载(GPL-100)，所以用三

相桥中的其中任意两桥臂结合单相负载搭建单相逆变实验。该指导书中用的是

1、3两桥臂，即U、W桥臂。原理图如下图4-1所示，实验中采用输出采用

LC滤波，滤波电容C

1

、C

2

、C

3

采用△连接。

1

VT

1

2

VT

3

3

VT

5

L

1

C

1

C

2

a

C

3

u

dc

U

V

W

L

2

L

3

b

c

VT

2

VT

4

VT

6

u

r

u

c

PWM

生成触

发脉冲

图4-1实验逆变器原理图

实验内容包括：

1. 仿真。本实验需搭建双极性SPWM和单极倍频SPWM两种调制方式下

的仿真电路。

2. 实物。将单极倍频SPWM调制方式下的仿真电路转换成数控方式，生成

C代码，烧录到三相逆变器模块(PEK-130)，连接实物电路，完成实体实验。

五、实验步骤

（一）仿真搭建

在PSIM里新建一个电路绘制页面，搭建如下图5-1所示仿真电路：

图5-1实验仿真图

在前面三个实验的基础上想必大家对PSIM已经有所了解，而且大部分元器

件在PSIM最下面的工具栏可以直接找到，故在这里就不一一指明每个元器件的

位置，只给出元器件的参数配置，同时给出部分元器件的位置。对于没有给出位

置的元器件都可以通过Viem/Library Browser或则点击下图中箭头指示工具找到。

图5-2 元器件位置浏览

1.主电路

在下图中左侧为元器件，右侧为其对应的参数配置。

图5-3 元器件参数配置

上图中第二个为节点标签(Label)，在主电路中总共有9个，其余8个在主电

路中如图5-1所示，名字(参数)配置依次是Ioa、Iob、Ioc、Voa、Vob、Voc、ILa、

ILc，标签(Label)在如下图指头所指处可以找到。

图5-4 元器件参数配置

图5-5 元器件参数配置

在主电路中有3个电感，3个电容，电感的值都一样L1=L2=L3=1mH，电容

的值都一样都是C1=C2=C3=1uf，有5个电流传感器，值都是1/3.375。主电路中

其余的是6个MOSFET开关管和电压、电流表，MOSFET参数采用默认值，电

压电流表注意连接方向，带有o的一端为正。

2.输出检测电路

图5-6 元器件参数配置

在输出检测电路中总共6个标签，3个电压传感器，如图5-1所示。上面三

个标签从左至右值依次是Voc、Vob、Voa，下面三个标签从左至右值依次是Voca、

Vobc、Voab，3个电压传感器的值都是1/100。

3.按键模拟电路

图5-7 元器件参数配置

图5-8 元器件参数配置

在按键模拟电路中有2个Start PWM模块，PWM Source分别是PWM1、

PWM3。2个Stop PWM模块，PWM Source分别也是PWM1和PWM2。

4.A/D转化电路

图5-9 元器件参数配置

A/D转化电路中共8个标签(Label)，值从左至右依次是Voca、Vobc、Voab、

ILa、ILc、Ioc、Iob、Ioa，8个限幅模块(Limiter)，值都是-1.5—1.5，8个零阶保

持器(Zero-Order-Hold)，采样频率都是18k。

图5-10 元器件参数配置

A/D模块参数默认，共9个SCI output，从左至右模块中Name依次是

Psm_Voca、Psm_Vobc、Psm_Voab、Psm_ILa、Psm_ILb、Psm_ILc、Psm_Ioc、Psm_Iob、

Psm_Ioa，在电路连接时注意A/D Computer模块各引脚的对应。

5.调制波产生电路

图5-11 元器件参数配置

在调制波产生电路中零阶保持器(Zero-Order-Hold)是18k。正弦模块(Sine)、

乘数模块(Multiplier)乘数默认，2个标签的名字从左至右依次是Vconc、Vcona。

6.驱动脉冲产生电路

图5-12 元器件参数配置

在PWM调制产生驱动脉冲电路中有2个限幅(Limiter)模块，值都是-5~5，

2个SCI Output模块，从左至右Name的值依次是PSM_Vcona、PSM_Vconc，2

个标签(Label)模块，从左至右值是Vcona、Vconc。零阶保持器采样频率18k。

图5-13 元器件参数配置

两个1-phase PWM模块参数配置在PWM Source有区别，分别是PWM1和

PWM3，其余的参数设置一样。

7.全局参数配置部分

图5-14 全局参数配置

(二)、实体电路实验

1.生成C代码及烧录

① 搭建完成仿真电路以后在确保电路无误的前提下点击菜单Simulate

Generate Code即可生成C代码，同时自动生成一个包含C代码的文件夹，这个

文件夹和之前建的仿真电路文件在同一个文件夹下。如下图5-15所示：

图5-15 生成程序图

② 打开CCS软件，菜单ProjectImport Legacy CCSV3.3 Projects…Select

a Project fileBrowse(找到刚才生成的C代码文件加载进来)NextfinishOK

即可把工程加载进来，加载完成以后的结果会在左侧显示，如下图5-16所示。

图5-16 工程加载完成图

③ 点击工具栏中的锤子标志，对程序进行检查，如下图5-17所示，检查

完以后在Description栏应该是没有0 errors，如果有errors表示程序有误，需检

修改程序(有Warnings标志不影响)。

程序检查按钮

正确结果

图5-17 程序检查图

④ 右键点击工程PropertiesGeneralProjectVariant (选择2833X

Delfino，后面的框里再选择TMS320F28335)Connection(选择Texas Instructions

XDS100v1 USB Debug Probe)Linker Command file(选择)Apply and

Close，最后配置完成结果如下图5-18所示：

图5-18 工程配置图

⑤ 在PEK-130上连接好烧录器，在CCS工具栏点击虫子形状按键进行烧录，如

下图5-19所示：按照以上步骤即可将程序烧录到DSP中。

图5-19程序烧录

⑥ 通过通讯线将PEK-130模块的RS232借口接到PC机，在电脑上PSIM软件

里点击菜单UtilitiesDSP OscilloscopeConnect就可在电脑端观测到输出波形。

如下图5-20所示：

图5-20 电脑端实时观看输出波形

2.硬件接线

实验台子是固纬公司的PTS-1000，配置如下图5-21所示：

4CH数字

示波器

直流电源功率仪

交流电源

PEK130等模

块摆放处

单相交

流负载

直流负载

图5-21 PTS-100实验台

在本次单相逆变实验中用到4CH数字示波器(GDS-2204E)、直流电源(PSW

160-7.2)、单相交流负载(GPL-100)、PEK-130模块和辅助电源模块，PEK-130模

块和辅助电源模块如下图5-22所示：

PEK-130模块(逆

变器实验模块)

辅助电源模块

图5-22 实验模块

接线原理图如下图5-23所示：

直流电源

单相交流负载

辅助

电源

红黑线

Auxiliary

Power

Driver

Power

黑白线

J5

J3

PEK-130模块

J7

J4

J12

RS232

JTAG

观测端子

烧录器

电脑

示波器

图 5-23实验接线原理图

六、实验要求

1．实验前认真阅读实验指导书，预习实验内容，根据实验指导书搭建单极

倍频正弦脉冲宽度调制电路仿真。实验时根据仿真搭接试验台进行单级倍频正弦

脉冲宽度调制实验，并完成以下内容：

1）在PSIM中仿真，并记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器

输出电压波形，并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和谐波分布结果。

实验时测量并记录T

1

、T

2

的IGBT驱动PWM电压波形，观察并记录死区时间；

2）电路其他参数不变，改变调制度M分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1，观察

负载两端输出电压波形，并记录示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形），

并填写表4-2；

表4-2 不同调制波幅值下的负载电压

调制度(M)

计算值

实测值

0.2

0.4

0.6

0.8

1

f

c

3) 电路其他参数不变，设置调制度M为0.6，改变三角波（载波）的频率

依次为5kHz、10kHz、18kHz。运行程序，观察负载两端输出电压波形，并记录

示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。用示波器对输出电压波形进行

FFT分析（用U盘保存结果），并填写表4-3；

表4-3 不同载波频率下的负载电压

载波频率(f

c

/Hz)

THD

基波幅值

t

d

5k

10k

18k

4）电路其他参数不变，调制度M为0.6，载波频率f

c

为18k，改变死区时间

依次为5、10、15（单位为us）。运行程序并观察负载两端输出电压波形，记录

示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。用示波器对输出电压波形进行

FFT分析,，并填写表4-4；

表4-4 不同死区时间下的负载电压

死区时间(us)

THD

5

10

15

2.在单极性倍频正弦脉冲宽度调制仿真的基础上，修改仿真，搭建双极性正

弦脉冲宽度调制仿真。记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器输出

电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和

谐波分布结果。

3.在PSIM中搭建单脉冲调制仿真。记录当调制度M为0.6时的逆变器输出

电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和

谐波分布结果。

4.分析比较题1中1）、题2、题3中的三种调制方式下逆变器输出波形的

THD和谐波分析结果，思考不同调制方式下负载谐波分布各自有什么特点；THD

有什么特点？三种调制方式下负载两端的输出波形THD又有什么特点？

七、注意事项

1.如果在程序检查时出现如下图7-1所示错误，表示CCS新版本中已经不含

XDAIS v1.0.0，可按步骤:右击工程PropertiesGeneralProducts取消XDAIS，

如下图7-2所示。

图7-1 出现的错误

图7-2 解决办法

2.搭建仿真电路时注意元器件的方向带有o的一端为正，带有的一端为输

入。

C

3.仿真电路中元器件前面有

G

符号的才可以生成C代码。

4.实体接线中各插口都是防反插的，注意看准方向，不要硬怼。

5.上电顺序应该是先给控制板供电，再烧录程序，最后上主电，关断时刚好

相反。

6.记得带U盘，拷出示波器是的波形。

7.认真预习实验，实验前要检查实验报告，请认真参照指导书图5-1搭建仿

真电路，并根据实验指导书设定参数，可以减少出错率。