SPWM逆变电路原理

对于大多数应用场合需要的是工频电源，例如我们的电冰箱，洗衣机，电风扇等都需要正弦波的220伏、50赫兹电源，各种动力设备，远距离输电也都需要正弦波的交流电。更多的太阳能光伏发电装置输出的是正弦波交流电，目前生成正弦波仍采用前面介绍的全桥电路，只是对开关晶体管的控制采用PWM脉宽调制或移相控制或调频控制等方式。这里仅介绍最常用的PWM脉宽调制方式。面积等效原理转换把直流电转换成正弦波交流电是根据根据面积等效原理，在图1上图中的正弦半波（红线）分成n等份，把正弦半波看成是由n个彼此相连的矩形脉冲组成的波形，为简单清晰，划分为7等份。7个脉冲的幅值按正弦规律变化，每个脉冲面积与相对应的正弦波部分面积相同，这一连续脉冲就等效正弦波。图1用面积等效原理转换为SPWM波形如果把上述脉冲序列改为相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲（图1下图），脉冲中心位置不变，并且使该矩形脉冲面积和上图对应的矩形脉冲相同，得到图1下图所示的脉冲序列，脉冲宽度按正弦波规律变化，这就是PWM波形。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，图中红线就是该序列波形的平均值。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只需按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。SPWM波形的生成输出SPWM波形仍需全桥逆变电路，在“光伏用DC-DC变换器”课件中已介绍过这种电路，通过控制开关晶体管的通与断在负载上产生交变电压，见图2。s图2全桥逆变电路的工作状态输出SPWM波形的矩形波必须生成序列的控制信号来控制桥式电路中开关晶体管的通与断，普遍使用的是调制法来生成控制信号，可采取单极性调制也可采用双极性调制来生成控制信号，下面介绍常用的单极性调制方式。图3上部分是SPWM波形控制信号生成的原理图，下部分是生成的SPWM波形。在调制法中，把所希望输出的波形称为调制波ur，把接受调制的信号称为载波uc，通常采用等腰三角波作为载波，正弦波作为调制信号。在两波交点时对电路中的开关器件进行通断控制，就可得到宽度正比于调制信号幅值的脉冲。在ur正半周时，T2与T3保持关断，在ur和uc的交点时刻控制开关晶体管T1与T4开通与关断：当ur＞uc时控制T1与T4导通，R上的电压为Ud，当ur＜uc时控制T1与T4关断，R上的电压为0。在ur负半周时，T1与T4保持关断，当uc＞ur时控制T3与T2导通，R上的电压为-Ud，当uc＜ur时控制T1与T4关断，R上的电压为0。这样在R上产生宽度按正弦波规律变化的SPWM波形，见图2下图，其中红线uof表示输出等效的正弦波交流电电压。SPWM逆变器输出的正弦波交流电电压uof的峰值uofm小于输入的直流电压ud，把uofm/ud称为直流电压利用率，对于单相SPWM电路直流电压利用率的理论值最大为1，实际上由于种种原因，直流电压利用率要小于1。对于输出相电压（有效值）为220V单相交流电的逆变电路输入直流电压要高于310V。SPWM逆变器输出电压与ur/uc成正比，保持载波uc不变，改变调制波ur的大小即可控制输出交流电压的大小。当然，调制波ur峰值要小于载波uc峰值。图3单极性PWM波形生成原理过去采用模拟电路产生调制信号，精密而高速的电压比较器对ur和uc进行比较，当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换，但模拟电路结构复杂，也难以实现精确的控制。采用微处理器直接计算出控制点称为计算法，但计算法较繁琐，计算量大，较少使用。现在已有专用的集成电路用来产生SPWM调制信号，微处理器仅对其发出输出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号，输出完好的正弦波，微处理器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制。这种方式电路简单、效果好、可靠性高，是目前广泛使用的控制方法，有关内容请另找专业书籍或资料。下面是SPWM逆变器开关管通断切换与波形动画，动画左面是开关管通断切换动画，右面上部分是调制信号动画，右面下部分是输出电压波形动画。SPWM逆变器波形动画以上介绍的是单相的逆变过程，使用最多的是三相逆变器，三相逆变电路则需三套SPWM调制电路，同步进行控制。图4是三相逆变器的主电路图，开关管T1至T6组成桥式逆变电路，通过三相SPWM调制控制，输出三相交流电，RA、RB、RC是三相负荷，按星形接法，中性线接点为N。电阻R1与R2大小相同、电容C1与C2大小相同，它们在直流输入侧建立中性点N，该点电位为Ud/2，两个N点都是中性点，当三相负荷RA、RB、RC相同时，两个N点电位相同，两个N点可以连接。实际应用中多数不连接N点，输入端R1、R2、C1、C2只需一个滤波电容即可。有关SPWM调制三相逆变电路较复杂，具体内容请另找专业书籍或资料。图4三相逆变电器主路对于三相SPWM逆变器的直流电压利用率是输出的正弦波线电压（峰值）与输入的直流电压之比，理论值最大为0.866，实际上由于种种原因，直流电压利用率要小于0.866。对于输出线电压（有效值）为380V三相交流电的逆变电路输入直流电压要高于620V。从理论上讲，三角波（载波）频率越高，输出波形越接近正弦波。实际上，开关管的通断变化虽然很快，但仍需要一定的时间，在这个时间段里，开关管要承受高电压，大电流的冲击，功耗很大，高频率切换不但加大损耗降低电源效率，还可能使管子发热烧毁。一般逆变器的载波频率约几千赫兹，小功率的频率高些，大功率逆变器的频率低些。SPWM波形由方波组成，含有较多谐波成分，必须采用输出滤波器使输出波形正弦化。图5是滤波器常用的4种类型，要根据用户电路的特性选用，最常用的还是（b）图所示的LC滤波器。要选择合适的L值与C值，如果设计不当，反过来会降低系统的动态性能，甚至使系统不稳定。图5常用滤波器逆变器的图形符号见图6。图6整流器逆变器的图形符号