单相逆变器的效率仿真

核心效率模型与损耗分析

逆变器总效率 η = P_out / P_in × 100%，其中损耗主要包括：

开关损耗：与开关频率、器件特性相关
导通损耗：与器件通态电阻、电流有效值相关
死区损耗：由上下管互补导通间的死区时间引起
滤波电感损耗：包括铜损（电阻）和铁损（磁芯）

基础仿真：MATLAB/Simulink 实现

1. Simulink 主电路模型

%% 单相全桥逆变器效率仿真
% 文件名：single_phase_inverter_efficiency.slx
% 模型关键组件：
% 1. 直流电压源 (VDC = 400V)
% 2. 全桥IGBT模块 (4个开关管)
% 3. PWM生成器 (调制比m=0.8, 频率f_sw=20kHz)
% 4. LC滤波器 (L=3mH, C=10μF)
% 5. 可变负载 (R从10Ω到100Ω变化)

2. MATLAB 效率计算脚本

%% 单相逆变器效率分析脚本
clear; close all; clc;

%% 仿真参数设置
VDC = 400;          % 直流母线电压 [V]
f_sw = 20000;       % 开关频率 [Hz]
f_out = 50;         % 输出频率 [Hz]
m = 0.8;            % 调制比 (0-1)
L_f = 3e-3;         % 滤波电感 [H]
C_f = 10e-6;        % 滤波电容 [F]

% 负载扫描范围
R_load_range = linspace(10, 100, 20);  % 10Ω到100Ω
P_out_array = zeros(size(R_load_range));
P_in_array = zeros(size(R_load_range));
efficiency_array = zeros(size(R_load_range));

% 器件参数（以IGBT为例）
Vce_sat = 1.8;      % IGBT饱和压降 [V]
Vf_diode = 1.2;     % 反并联二极管正向压降 [V]
ton = 1e-6;         % 开通时间 [s]
toff = 1.5e-6;      % 关断时间 [s]
Eon_per_pulse = 1e-3;  % 每次开通能量 [J]
Eoff_per_pulse = 1.5e-3; % 每次关断能量 [J]
Rds_on = 0.05;      % 导通电阻 [Ω]

%% 循环仿真不同负载下的效率
for i = 1:length(R_load_range)
    R_load = R_load_range(i);
    
    % 运行Simulink模型（模型需提前配置好）
    sim('single_phase_inverter_efficiency');
    
    % 提取稳定状态数据（忽略初始瞬态）
    t = simout.Time;
    V_out = simout.Data(:,1);
    I_out = simout.Data(:,2);
    I_dc = simout.Data(:,3);
    
    % 取最后几个周期的数据计算
    T_out = 1/f_out;
    n_cycles = 5;
    t_start = max(t) - n_cycles*T_out;
    idx = t >= t_start;
    
    % 计算输出功率
    V_rms = rms(V_out(idx));
    I_rms = rms(I_out(idx));
    P_out = V_rms * I_rms;
    
    % 计算输入功率
    V_dc_mean = mean(VDC * ones(sum(idx),1));
    I_dc_mean = mean(abs(I_dc(idx)));  % 考虑电流方向
    P_in = V_dc_mean * I_dc_mean;
    
    % 计算损耗分量
    % 1. 导通损耗
    P_cond = 2 * (I_rms^2 * Rds_on + I_rms * Vce_sat/pi);  % 两桥臂
    
    % 2. 开关损耗
    P_sw = f_sw * (Eon_per_pulse + Eoff_per_pulse) * 4;  % 4个开关管
    
    % 3. 死区时间损耗（假设死区时间2μs）
    t_dead = 2e-6;
    P_dead = 4 * f_sw * VDC * I_rms * t_dead / pi;
    
    % 4. 电感损耗（铜损+铁损）
    R_L = 0.1;  % 电感绕组电阻 [Ω]
    P_ind_cu = I_rms^2 * R_L;  % 铜损
    P_ind_fe = 0.01 * P_out;   % 铁损（经验值，通常1-3%）
    
    % 总损耗
    P_loss_total = P_cond + P_sw + P_dead + P_ind_cu + P_ind_fe;
    
    % 效率计算（两种方法：测量法 vs 计算法）
    eta_measured = P_out / P_in * 100;
    eta_calculated = P_out / (P_out + P_loss_total) * 100;
    
    % 存储结果
    P_out_array(i) = P_out;
    P_in_array(i) = P_in;
    efficiency_array(i) = eta_calculated;
    
    fprintf('负载R=%.1fΩ: P_out=%.1fW, 效率=%.2f%%\n', ...
            R_load, P_out, eta_calculated);
end

%% 可视化结果
figure('Position', [100, 100, 1400, 600]);

% 1. 效率-负载曲线
subplot(2, 3, 1);
plot(R_load_range, efficiency_array, 'b-o', 'LineWidth', 2);
xlabel('负载电阻 [Ω]'); ylabel('效率 [%]');
title('逆变器效率 vs 负载电阻');
grid on; ylim([85 100]);

% 2. 输出功率曲线
subplot(2, 3, 2);
plot(R_load_range, P_out_array, 'r-s', 'LineWidth', 2);
xlabel('负载电阻 [Ω]'); ylabel('输出功率 [W]');
title('输出功率 vs 负载电阻');
grid on;

% 3. 典型工作点波形（选择中间负载）
subplot(2, 3, 3);
R_mid = R_load_range(round(length(R_load_range)/2));
% 这里显示仿真波形，需要运行具体仿真
% plot(t_selected, V_out_selected, 'b', t_selected, I_out_selected, 'r');
xlabel('时间 [s]'); ylabel('电压/电流');
title(sprintf('输出电压/电流波形 (R=%.1fΩ)', R_mid));
legend('输出电压 [V]', '输出电流 [A]');
grid on;

% 4. 损耗分解饼图（以某个工作点为例）
subplot(2, 3, 4);
P_loss_breakdown = [P_cond, P_sw, P_dead, P_ind_cu, P_ind_fe];
labels = {'导通损耗', '开关损耗', '死区损耗', '电感铜损', '电感铁损'};
pie(P_loss_breakdown, labels);
title('损耗分布分析');

% 5. 效率-输出功率曲线
subplot(2, 3, 5);
plot(P_out_array, efficiency_array, 'g-d', 'LineWidth', 2);
xlabel('输出功率 [W]'); ylabel('效率 [%]');
title('效率 vs 输出功率');
grid on;

% 6. 输入输出功率关系
subplot(2, 3, 6);
plot(P_in_array, P_out_array, 'm-^', 'LineWidth', 2);
hold on;
plot([0 max(P_in_array)], [0 max(P_in_array)], 'k--', 'LineWidth', 1);
xlabel('输入功率 [W]'); ylabel('输出功率 [W]');
title('输入输出功率关系');
legend('实际关系', '理想情况', 'Location', 'southeast');
grid on;

%% 关键指标输出
[max_eff, idx_max] = max(efficiency_array);
fprintf('\n=== 仿真结果总结 ===\n');
fprintf('最大效率: %.2f%% @ R_load=%.1fΩ\n', max_eff, R_load_range(idx_max));
fprintf('对应输出功率: %.1fW\n', P_out_array(idx_max));
fprintf('效率>95%%的负载范围: %.1fΩ 到 %.1fΩ\n', ...
        R_load_range(find(efficiency_array>95, 1)), ...
        R_load_range(find(efficiency_array>95, 1, 'last')));

%% 进阶分析：开关频率对效率的影响
f_sw_range = [10000, 20000, 30000, 40000];
efficiency_vs_fsw = zeros(size(f_sw_range));

figure('Position', [100, 100, 800, 400]);
for j = 1:length(f_sw_range)
    % 修改开关频率重新仿真（简化计算）
    f_sw = f_sw_range(j);
    P_sw = f_sw * (Eon_per_pulse + Eoff_per_pulse) * 4;
    P_total_loss = P_cond + P_sw + P_dead + P_ind_cu + P_ind_fe;
    efficiency_vs_fsw(j) = P_out_array(10) / (P_out_array(10) + P_total_loss) * 100;
    
    subplot(1, 2, 1);
    plot(f_sw/1000, efficiency_vs_fsw(j), 'o-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 10);
    hold on;
end
xlabel('开关频率 [kHz]'); ylabel('效率 [%]');
title('开关频率对效率的影响'); grid on;

% 热分析（简化）
subplot(1, 2, 2);
R_th_jc = 0.5;  % 结到壳热阻 [K/W]
T_ambient = 25; % 环境温度 [°C]
T_junction = T_ambient + (P_cond + P_sw) * R_th_jc;
bar(1, T_junction);
ylabel('结温 [°C]');
title(sprintf('最坏情况结温: %.1f°C', T_junction));
ylim([25 150]); grid on;

高级效率优化仿真

%% 单相逆变器效率优化仿真
% 考虑实际非理想因素

%% 1. 死区时间优化分析
t_dead_range = linspace(0.5e-6, 5e-6, 10);
efficiency_vs_deadtime = zeros(size(t_dead_range));

for k = 1:length(t_dead_range)
    % 计算不同死区时间下的损耗
    P_dead = 4 * f_sw * VDC * I_rms * t_dead_range(k) / pi;
    P_total = P_cond + P_sw + P_dead + P_ind_cu + P_ind_fe;
    efficiency_vs_deadtime(k) = P_out / (P_out + P_total) * 100;
end

figure;
plot(t_dead_range*1e6, efficiency_vs_deadtime, 'b-o', 'LineWidth', 2);
xlabel('死区时间 [μs]'); ylabel('效率 [%]');
title('死区时间对效率的影响');
grid on;

%% 2. 调制策略比较
% SPWM vs SVPWM vs 三次谐波注入
m_range = linspace(0.1, 1.0, 20);
efficiency_SPWM = zeros(size(m_range));
efficiency_THI = zeros(size(m_range));

for m_idx = 1:length(m_range)
    % 不同调制方式的直流电压利用率
    % SPWM: 利用率 = m/2
    % THI: 利用率 = m/√3
    V_out_SPWM = m_range(m_idx) * VDC / 2;
    V_out_THI = m_range(m_idx) * VDC / sqrt(3);
    
    % 计算效率（简化）
    P_out_SPWM = V_out_SPWM^2 / R_load;
    P_out_THI = V_out_THI^2 / R_load;
    
    efficiency_SPWM(m_idx) = P_out_SPWM / (P_out_SPWM + P_loss_total) * 100;
    efficiency_THI(m_idx) = P_out_THI / (P_out_THI + P_loss_total) * 100;
end

figure;
plot(m_range, efficiency_SPWM, 'b-', 'LineWidth', 2);
hold on;
plot(m_range, efficiency_THI, 'r--', 'LineWidth', 2);
xlabel('调制比'); ylabel('效率 [%]');
title('不同调制策略效率比较');
legend('SPWM', '三次谐波注入', 'Location', 'southeast');
grid on;

%% 3. 效率MAP图生成
% 创建负载和调制比的效率等高线图
[R_grid, M_grid] = meshgrid(linspace(10, 100, 30), linspace(0.2, 1.0, 30));
Efficiency_MAP = zeros(size(R_grid));

for i = 1:size(R_grid, 1)
    for j = 1:size(R_grid, 2)
        % 计算每个工作点的效率
        R_temp = R_grid(i, j);
        m_temp = M_grid(i, j);
        
        V_out_temp = m_temp * VDC / 2;
        I_out_temp = V_out_temp / R_temp;
        P_out_temp = V_out_temp * I_out_temp;
        
        % 动态计算损耗
        I_rms_temp = I_out_temp / sqrt(2);
        P_cond_temp = 2 * (I_rms_temp^2 * Rds_on + I_rms_temp * Vce_sat/pi);
        
        % 总损耗
        P_loss_temp = P_cond_temp + P_sw + P_dead + P_ind_cu + P_ind_fe;
        
        Efficiency_MAP(i, j) = P_out_temp / (P_out_temp + P_loss_temp) * 100;
    end
end

figure;
contourf(R_grid, M_grid, Efficiency_MAP, 20, 'LineStyle', 'none');
colorbar; colormap(jet);
xlabel('负载电阻 [Ω]'); ylabel('调制比');
title('单相逆变器效率MAP图 [%]');
grid on;

关键仿真结果与工程意义

分析项目	典型结果	工程指导意义
满载效率	92-96%	决定散热系统设计
半载效率	94-97%	评估部分负载性能
轻载效率	85-92%	决定待机功耗和能效标准
峰值效率点	通常位于30-70%负载	优化系统工作点
开关频率影响	每增加10kHz，效率下降0.5-1%	权衡开关损耗与滤波器尺寸

参考代码单相逆变器的效率仿真 www.youwenfan.com/contentcnp/96186.html

实用仿真建议

模型验证步骤：

% 1. 先仿真开环系统，验证PWM生成正确
% 2. 逐步添加死区时间、器件特性
% 3. 最后加入闭环控制（如电压/电流双环）

收敛性问题处理：
- 使用刚性求解器 ode23tb 或 ode15s
- 设置合理的仿真步长（通常为开关周期的1/100~1/50）
- 添加小的寄生参数（如并联RC缓冲电路）
效率测量技巧：
- 确保仿真进入稳态（至少10个输出周期）
- 使用平均值而非瞬时值计算功率
- 考虑测量仪表带宽限制（可添加低通滤波）

进阶研究方向

SiC/GaN器件应用：替换IGBT为宽带隙器件，显著降低开关损耗
软开关技术：仿真ZVS/ZCS条件下的效率提升
多电平逆变器：比较两电平与三电平拓扑的效率差异
热-电耦合仿真：结合热模型预测器件温升对效率的影响

posted @ 2026-01-15 16:03 吴逸杨阅读(0) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

45234ynn

单相逆变器的效率仿真

核心效率模型与损耗分析

基础仿真：MATLAB/Simulink 实现

1. Simulink 主电路模型

2. MATLAB 效率计算脚本

高级效率优化仿真

关键仿真结果与工程意义

实用仿真建议

进阶研究方向

公告