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目录

手把手教你学 Simulink

一、总体系统框图

二、半桥 vs 全桥 核心原理对比

三、关键整体参数 (对比基准)

四、Simulink 建模 Step-by-Step

五、典型结果判读

六、拓扑选型常见坑

七、工程注意

手把手教你学 Simulink

——单相全桥与半桥拓扑双向 DC/AC 逆变器对比仿真

一、总体系统框图

【半桥拓扑 (Half-Bridge)】 ┌─────────────┐ │ DC Bus │ Vdc = 620 V (需较高直流电压) └─────┬───────┘ ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 单相半桥 (2管 + 中点电容)│ ← SPWM 调制 (10 kHz) │ S1, S2 + C1=C2 │ 输出 ±Vdc/2 └─────┬────────────────────┘ │ v_leg ▼ ┌──────────────────────────┐ │ LC 滤波器 │ L=2mH, C=10μF └─────┬────────────────────┘ │ i_g (并网电流) ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 单相电网 │ 220V, 50Hz └──────────────────────────┘ 【全桥拓扑 (Full-Bridge / H-Bridge)】 ┌─────────────┐ │ DC Bus │ Vdc = 310 V (常规直流电压) └─────┬───────┘ ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 单相全桥 (H-Bridge 4管) │ ← SPWM 调制 (10 kHz) │ S1~S4 + 死区 │ 输出 ±Vdc └─────┬────────────────────┘ │ v_leg ▼ ┌──────────────────────────┐ │ LC 滤波器 │ L=2mH, C=10μF └─────┬────────────────────┘ │ i_g (并网电流) ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 单相电网 │ 220V, 50Hz └──────────────────────────┘

核心思想：在储能、UPS 等低压/小功率双向 DC-AC 应用中，半桥与全桥是最基础的两种拓扑。本教程将并排搭建这两套模型，在相同的直流母线电压（或各自合理的电压下）、相同的 SPWM 调制参数下，直观对比它们在电压利用率、器件数量、中点电位漂移风险以及输出波形质量上的核心差异。

双向含义：无论是半桥还是全桥，其控制逻辑完全对称。当电流参考i_ref与电网电压同相时，系统向电网送电（逆变）；反相时，从电网取电（整流）。

二、半桥 vs 全桥 核心原理对比

2.1 拓扑与电压利用率

• 半桥 (Half-Bridge)：仅需 2 个开关管，但需要两个等值电容串联进行直流分压。其交流输出端只能取到直流母线的一半电压，即±Vdc/2。这意味着电压利用率仅为 50%。若要输出 220V 交流电（峰值约 311V），直流母线电压必须高达 620V 以上。
• 全桥 (Full-Bridge)：需要 4 个开关管组成 H 桥。交流输出端可直接取到整个直流母线电压，即±Vdc。电压利用率为 100%。输出 220V 交流电仅需约 310V 的直流母线。

2.2 谐波与滤波特性

• 半桥：由于基波幅值只有全桥的一半，在相同的调制度m下，其谐波含量相对较大。
• 全桥：在相同的直流电压和调制度下，全桥输出的基波幅值是半桥的 2 倍。更重要的是，全桥可以实现双极性 SPWM，其高频谐波集中在 2 倍开关频率附近，使得滤波后的电流更加平滑，THD（总谐波失真）更低。

2.3 半桥的致命弱点：中点电位漂移
半桥拓扑必须依赖两个电容C1和C2均分直流电压。在实际双向运行中，由于器件参数差异、死区效应或负载不对称，流过中点的电流往往存在直流分量，导致C1和C2上的电压不再相等（中点电位漂移）。这会严重导致输出波形正负半周不对称，甚至引发控制失效。全桥拓扑则完全不存在中点问题。

三、关键整体参数 (对比基准)

四、Simulink 建模 Step-by-Step

Step ① —— 并排搭建功率电路

• 左侧 (半桥)：放置 1 个DC Voltage Source(620V)，串联 2 个 2200μF 电容。使用 2 个IGBT/Diode模块，中点引出作为交流输出。
• 右侧 (全桥)：放置 1 个DC Voltage Source(310V)，并联 1 个 2200μF 电容。使用Universal Bridge(1-phase) 或 4 个IGBT/Diode组成 H 桥。
• 两侧分别接入相同的 LC 滤波器和 220V/50Hz 交流电网。

Step ② —— 共用控制与 SPWM 生成

• 搭建一套 SOGI-PLL 和双闭环控制逻辑，生成统一的调制波v_mod。
• 半桥 SPWM：将v_mod与三角载波比较，生成 1 路 PWM，经过NOT门生成互补信号，分别驱动 S1 和 S2。
• 全桥 SPWM (双极性)：将v_mod与三角载波比较，生成 S1 和 S4 的驱动信号；经过NOT门生成互补信号，驱动 S2 和 S3。

Step ③ —— 测量与观测

• 分别测量半桥和全桥的：桥臂输出电压v_leg、滤波后并网电流i_g、直流侧电容电压Vc1, Vc2(仅半桥)。
• 将两路波形接入同一个Scope，方便直观对比。

Step ④ —— 仿真工况

五、典型结果判读

基波幅值与电压利用率

• 在相同的m=0.85下，全桥输出的基波电压峰值约为0.85 * 310V ≈ 263V，足以覆盖 220V 电网峰值。
• 半桥输出的基波电压峰值仅为0.85 * (620/2)V ≈ 263V。如果半桥的直流电压只有 310V，其输出峰值将只有 131V，根本无法并网。

中点电位漂移 (半桥特有)

• 放大观察半桥的Vc1和Vc2。在双向功率流动或负载切换时，这两个电压大概率会出现微小的偏差（不再严格等于 310V）。
• 观察半桥的并网电流i_g，可能会发现正负半周的波形存在轻微的不对称。

THD 与波形质量

• 运行 Powergui 的 FFT 分析工具。在相同开关频率下，全桥的并网电流 THD 通常显著低于半桥。
• 全桥的谐波主要集中在 20kHz (2倍载波) 附近，而半桥的谐波集中在 10kHz (1倍载波) 附近，全桥更容易被 LC 滤波器滤除。

六、拓扑选型常见坑

七、工程注意

何时选择半桥？
半桥的优势在于成本低（少 2 个开关管及驱动电路）。它通常适用于高压直流母线场合（如光伏逆变器内部，母线电压高达 600V-800V），此时半桥的电压利用率劣势被掩盖，成本优势凸显。

何时选择全桥？
在低压储能（如 48V 电池）、车载逆变器、标准 UPS 以及需要高质量电能输出的场合，全桥是绝对的主流。其 100% 的电压利用率、天然的双向能量流能力和优异的波形质量，使其成为高性能应用的首选。

全桥的单极性调制
本教程演示的是双极性 SPWM。在实际工程中，全桥还可以实现单极性 SPWM或倍频 SPWM，这能进一步将等效开关频率翻倍，大幅降低滤波器体积和 EMI 干扰，是进阶优化的方向。